Nutrición avanzada: epigenética y estructura de la cromatina

Epigenética y Estructura de la Cromatina

Nutrició Avançada
Estructura de la cromatina y mecanismos epigenéticos
UVIC
UNIVERSITAT DE VIC
UNIVERSITAT CENTRAL DE CATALUNYAEpigenética

Potencialmente Heredables

2
Potencialmente heredables
Xenopus
(adult salvalge)
Experiment de Gurdon 1962
Xenopus
capgros albi
CeHules intestinals
Es destrueix el
nuch
Nucli
anuciea
Transferencia del
nuch
Capgros ALBI

Características Celulares

Características de cada tipo celular o
estado de diferenciación
Red blood cell
Cells in the
inner lining
of the intestine
Bon
cell
Ovum
Sperm cell
Motor neuron
White blood cell
honeybee
[Apis mellifera)
worker
queen
2006 Encyclopedia Britannica, Inc.
2

Afectación por el Ambiente y Envejecimiento

Se ven afectadas por el ambiente
EPIGENÉTICA
Cambios heredables que no implican alteración del genoma a
nivel de la secuencia de DNA
Juegan un papel central en la
regulación de la expresión génica
Se ven afectadas por el
envejecimiento
Nutrició Avançada
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ReversiblesEpigenética

Marcas Epigenéticas

DNA
Methylcytosine
DNMT

• Pequeños grupos químicos pueden acoplarse a regiones específicas del ADN
• El ADN está cubierto de proteínas especiales: pueden estar cubiertas de pequeñas sustancias químicas adicionales
  MARCAS o MODIFICACIONES EPIGENÉTICAS
  V
  NO cambian la secuencia genética
  V
  SI que cambian la expresión de los genes >
  Modifican las funciones y naturaleza de la
  de las células
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  Nutrició Avançada
  3

El ADN y la Cromatina

El ADN no es una molécula desnuda
3Dciencia.com | visual life sciences4
La cromatina:
1 genome
DNA
stored
information
Ac
M
M
M
M
Me
chromatin
organized
information
AC
M
epigenomes
> 200 cell types
cell A
?
cell B
?
?
?
?
totipotent
cell
pluripotent
cell
committed
cell
cell C
Image modified from Allis et al., 2007 Epigenetics
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Nutrició Avançada
Estructura de la cromatina
MeEstructura de la cromatina
5
ADN LIBRE O DESNUDO
CROMATINA
cell-specific
TF
Mediator
co-activator/
co-repressor
GTFs
TAF4
TAF10
RNA Pol II
transcription
TAF9
TAF2
TBP
TAF12
TFIID
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Roy and Singer 2015.
Nutrició Avançada6

Nucleosoma: Unidad Básica de la Cromatina

Estructura de la cromatina

• Nucleosoma: construido por el nucleosoma central,
  la histona H1 y el DNA conector
• Nucleosoma central: 146pb de ADN rodeando un
  octámero de histonas, formado por un tetrámero de
  H3-H4 y dos dímeros de H2A-H2B
  NUCLEOSOMA
  H2B
  H4
  H2A
  H3
  Linker DNA
  Linker DNA
  H1
  Representació d'un nucelosoma, la unitat bàsica
  de la cromatina
  UVIC
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  Nutrició AvançadaEstructura de la cromatina
  7

Compactación de la Cromatina

COMPACTACIÓN DE LA CROMATINA

• Nucleosomas en cadena o "beads-on-a-string" (fibra 11nm).
  Short region of
  DNA double helix
  NI T2nm
  "Beads on a string"
  form of chromatin
  11 nm
  30-nm chromatin
  fibre of packed
  nucleosomes
  30 nm
  Section of
  chromosome in an
  extended form
  300 nm
  Condensed section
  of chromosome
  700 nm
  Centromere
  Entire mitotic
  chromosome
  1,400 nm
  Los diferentes grados de compactación de la cromatina
  Imagen de microscopia
  electrónica
  de
  alta
  resolución de la fibra de
  cromatina 11nm.
• Fibra de 30nm donde el H1 jugaría un papel fundamental. Existe
  sin embargo la controversia de si existe o si es un artefacto.
• Cromatina 300-700nm, se organiza a través del anclaje en la
  periferia del núcleo o en otras proteínas nucleares.
• La estructura de cromatina más condensada se observa en los
  cromosomas metafásicos (H1, H3ph, cohesinas, condensinas,
  topoisomeraseII) .
• UVIC
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  Nutrició Avançada
  m
  r8

Heterocromatina y Eucromatina

Estructura de la cromatina
CROMATINA: HETEROCROMATINA Y EUCROMATINA
chromosome territory.
( --------- CT borders)
euchromatin
(
)
heterochromatin
nuclear pore
nuclear membrane
nucleoli
Representación de un núcleo eucariota e imagen microscópica de tinción
basica de la cromatina con fucsina.
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Nutrició Avançada9
30 nm
Octameric histone core
DNA
10 nm
DNA
Histone
octamer
H1 histone
Nucleosome
Eucromatina
Heterocromatina
Nucleosome
core particle
-30 nm
2nm
10 nm
DNA
10-nm fiber
30-nm fiber
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Nutrició Avançada
Estructura de la cromatina
H1 histone10

Tipos de Heterocromatina

Estructura de la cromatina
Heterocromatina Constitutiva
RNA
pol II
Heterocromatina
Heterocromatina
Facultativa
Eucromatina
Molécula de
RNA
RNA
pol II
Imagen modificada de Pusarla RH, Bhargava P. FEBS J. 2005
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Nutrició AvançadaEstructura de la cromatina
11

Telómeros y Envejecimiento

TELÓMEROS
Secuencia
Telomérica
repetida
5
TTGGGG TTGGGGTTGGGGTTGGGG
AACCCC
4- GGGGTTGGGG
3
5
3'
· Estructuras repetitivas en los extremos de los
cromosomas lineales (2.000 copias). Secuencias en
tándem:
TTAGGG/AATCCC

• Papel clave en el mantenimiento de la integridad
  genómica.
  Los telomeros se acortan 50-200 pares en cada
  división celular.
  Nivel critico de repeticiones- senescencia celular.
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  Nutrició Avançada12

Acortamiento de Telómeros y Enfermedades Crónicas

Estructura de la cromatina
TELÓMEROS
5
TTGGGG TTGGGGTTGGGGTTGGGG
AACCCC
1
3
5
4- GGGGTTGGGG
3'
· El acortamiento de los telómeros se relaciona con
el envejecimiento y con la posibilidad de desarrollar
enfermedades crónicas asociadas a procesos
inflamatorios y de oxidación.
Las regiones telomericas y subtelomericas presentan
marcas
epigenéticas
características
de
heterocromatina.
· La supresión de reguladores epigenéticos se
relaciona con la pérdida de control de la integridad
telomérica y con el acortamiento de los telómeros y
las regiones subtelomericas.
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Nutrició Avançada
Secuencia
Telomérica
repetida13

Mecanismos de Modificación de la Estructura de la Cromatina

Estructura de la cromatina
MECANISMOS DE MODIFICACIÓN DE LA
ESTRUCTURA DE LA CROMATINA:
Modificaciones de histones
Variantes de histones
Proteínas remodeladoras de la cromatina
(A) Histone modifications
Mark ý
Writer
Eraser
Reader
Acetyl (K)
KAT
HDAC
Bromo
Methyl (K)
KMT
KDM
Chromo
Tudor
MBT
Writer
Eraser
Methyl (R)
Phospho
PRMT
Kinase
Phosphatase
Reader
Ubiquitin
E3 Ligase
Isopeptidase
Sumo
E3 Ligase
ADP-ribosyl
PA RP
(PARG?)
Biotin
Biotinidase
7
Carbonation
Glycosylation/
7
Glycation
N-Formylation
?
Isomer (P)
Isomerase
Isomerase
2
Unmodified
-
SANT
PHD
(WD 40?)
(B) Histone variants
(C) Chromatin remodeling
Remodeler
Sliding
Ejection
Remodeler-Family
Feature
Function
H1.0
H2A
spH2B
H3.1
H4
SWI/SNF
Bromodomain
Nucleosome sliding
H1.1
H2A.X
hTSH2B
H3.
DNA distortion
H1
H2A.Z
H2BFWT
H3.3
SANT-like domain
Histone octamer
H1.
MacroH2A 1.1
H3.1t
H1.4
MacroH2A 1.2
CENP-A
CHD
Chromodomain
Nucleosome sliding?
H1.5
MacroH2A2
Split ATPase
Histone exchange?
H1x
Hit
H2A.Bbd
H1.N
H1.0
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Nutrició Avançada
H1
12A
12B
H3
H4
ISW
relocation
Ino 80
PHD
WD40
(PAD)
Tudor
14-3-3
BRCT
HCS
Chaperone14

Influencia de la Cromatina en la Expresión Génica

Estructura de la cromatina
Influencia de la estructura de la cromatina en la expresión génica
https://learn.genetics.utah.edu/content/epigenetics/control/
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Nutrició AvançadaMecanismos Epigenéticos
15

Mecanismos Epigenéticos Clave

Mecanismos epigenéticos:
DNA methylation
Histone
methylation
/acetylation
Phenotype
Gene expression
ncRNA
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Nutrició Avançada16

Modificación de Histonas y Nucleosoma

Modificación de histonas
· Nucleosoma: construido por el nucleosoma central,
la histona H1 y el DNA conector
· Nucleosoma central: 146pb de ADN rodeando un
octámero de histonas, formado por un tetrámero de
H3-H4 y dos dímeros de H2A-H2B

• NUCLEOSOMA
  H2B
  H4
  H2A
  H3
  Linker DNA
  Linker DNA
  H1
  Representación de un nucelosoma, la unidad
  básica de la cromatina
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  Nutrició AvançadaModificación de histonas
  17

Componentes de las Histonas

HISTONAS:
H3
H4
Complete Histone With
DNA
H2A-H2B
H3-H4
Dimer
Dimer
H3-H4
Tetramer
Histone Octamer
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Nutrició Avançada
H2A
H2B18

Modificaciones Postraduccionales de Proteínas

Modificación de histonas
MODIFICACIONES POSTRADUCCIONALES DE LAS PROTEÍNAS
mRNA
Ribosome
P
OH
Hydroxylation
Attaches a hydroxyl
group (-OH) to a side
chain of a protein
Phosphorylation
Adds a phosphate to
serine, threonine or
tyrosine
Me
Methylation
Adds a methyl group,
usually at lysine or
arginine residues
Glycosylation
Attaches a sugar, usually
to an "N" or "O" in an
amino acid side chain
Ub
Lipidation
Attaches a lipid, such
as a fatty acid, to a
protein chain
Protein
Ubiquitination
Adds ubiquitin to lysine
residue of a target
protein for degradation
Su
Ac
Acetylation
Adds an acetyl group
to an N-terminus of a
protein or at lysine
residues
SUMOylation
Adds a small protein
SUMO (small
ubiquitin-like modifier)
to a target protein
Disulfide Bond
Covalently links the "S"
atoms of two different
cysteine residues
ROCKLAND®
antibodies & assays
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Nutrició Avançada19

Tipos de Modificaciones Postraduccionales de Histonas

MODIFICACIONES POSTRADUCCIONALES DE LAS HISTONAS
Tipos de modificaciones descritas:
Ø
Acetilación
> Metilación
Ø
Fosforilación
Ø
Ubiquitinación
Sumoilación
Ø
ADP-ribosilación
Ø
Citrulinación
Ø
Isomerización de la Pro
COOH
K119 Ub
COOH
Ph T120
Me K99
Me K95
Ub K120
Ph AC AC AC
S1 K5 K9
K13
Ac
Ac
K15
Ac
K12
K5
NH2
H2A/H2B
S14
Ac
Ac
K14 K18 Ac/Me Me
Ac/Me
K20
Ph
NH,
K27 K36
H3
H4
K8
R3
R17
K23
Me
R26S28
K5
S1
Ph
Me Ph
Ac
H1
K59 Me
Me K79
-K26 Ac/Me
COOH
COOH
S3 Ph
NH2
*Tienen lugar mayoritariamente en la cola N-term de las
histonas, pero no de forma exclusiva.
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Nutrició Avançada
Ac
K20
LNH2
Ac/Me
K9
Ac Me
NH,
R2 K4 R8 S10
Me Me Me Ph
Ac
K16 K12
Ac Ac
Modificación de histonas20

Funciones y Enzimas de Modificaciones de Histonas

Modificación de histonas
MODIFICACIONES POSTRADUCCIONALES DE LAS HISTONAS
Tipos de modificaciones descritas:
Ø
Acetilación
> Metilación
Ø
Fosforilación
Ø
Ubiquitinación
Sumoilación
Ø
ADP-ribosilación
Ø
Citrulinación
Ø
Isomerización de la Pro
Modificaciones
Residuos modificados
Función
Enzimas
Acetilación
K-ac
Transcripción (activación),
reparación, replicación
Lisina acetil transferasas (KATs) ej.
PCAF, CBP, p300, TIP60
Metilación (lisinas)
K-me1, K-me2, K-me3
Transcripción (activación o
represión), reparación
Lisina metil transferasas (KMTs) ej.
MLL1, SETI
Metilación (argininas)
R-me1, R-me2
Transcripción (activación o
represión)
Arginina metil transferasas ej. PRMT,
CARMI
Fosforilación
S-ph, T-ph
Transcripción (activación),
reparación, condensación
Serin/treonin quinasas ej. MSK1,
Mst1, CKII
Ubiquitilación
K-ub
Transcripción (activación o
represión)
Ubiquitilasas ej. UbcH6
Sumoilación
K-su
Transcripción (represión)
ADP-ribosilación
E-ar
Transcripción ( ¿? )
PARPs (poli ADP Ribosa Polimerasas)
Deiminación
(arginina>citrulina)
R>Cit
Transcripción (represión)
PAD14
Isomerización de prolina
P-cis>P-trans
Transcripción (represión)
Prolil-isomerasas
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