16.3: Regulación de genes epigenéticos eucariotas
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- Explicar el proceso de regulación epigenética
- Describir cómo se controla el acceso al ADN mediante la modificación de histonas
La expresión génica eucariota es más compleja que la expresión génica procariota porque los procesos de transcripción y traducción están físicamente separados. A diferencia de las células procariotas, las células eucariotas pueden regular la expresión génica en muchos niveles diferentes. La expresión de genes eucariotas comienza con el control del acceso al ADN. Esta forma de regulación, llamada regulación epigenética, ocurre incluso antes de que se inicie la transcripción.
Control Epigenético: Regulando el Acceso a Genes dentro del Cromosoma
El genoma humano codifica más de 20,000 genes; cada uno de los 23 pares de cromosomas humanos codifica miles de genes. El ADN en el núcleo es precisamente enrollado, plegado y compactado en cromosomas para que encaje en el núcleo. También se organiza para que se pueda acceder a segmentos específicos según sea necesario por un tipo de celda específico.
El primer nivel de organización, o empaquetamiento, es el enrollamiento de cadenas de ADN alrededor de las proteínas histonas. Las histonas empaquetan y ordenan el ADN en unidades estructurales llamadas complejos de nucleosomas, que pueden controlar el acceso de las proteínas a las regiones del ADN (Figura\(\PageIndex{1}\) a). Bajo el microscopio electrónico, este enrollamiento de ADN alrededor de las proteínas histonas para formar nucleosomas parece pequeñas perlas en una cuerda (Figura\(\PageIndex{1}\) b). Estas perlas (proteínas histonas) pueden moverse a lo largo de la cadena (ADN) y cambiar la estructura de la molécula.
Si el ADN que codifica un gen específico va a transcribirse en ARN, los nucleosomas que rodean esa región del ADN pueden deslizarse hacia abajo del ADN para abrir esa región cromosómica específica y permitir que la maquinaria transcripcional (ARN polimerasa) inicie la transcripción (Figura\(\PageIndex{2}\)). Los nucleosomas pueden moverse para abrir la estructura cromosómica para exponer un segmento de ADN, pero lo hacen de una manera muy controlada.
Conexión de arte
En las hembras, uno de los dos cromosomas X se inactiva durante el desarrollo embrionario debido a cambios epigenéticos en la cromatina. ¿Qué impacto crees que tendrían estos cambios en el empaque de nucleosomas?
El movimiento de las proteínas histonas depende de las señales que se encuentran tanto en las proteínas histonas como en el ADN. Estas señales son etiquetas añadidas a proteínas histonas y ADN que indican a las histonas si una región cromosómica debe estar abierta o cerrada (Figura\(\PageIndex{3}\)) representa modificaciones en proteínas histonas y ADN). Estas etiquetas no son permanentes, pero pueden agregarse o eliminarse según sea necesario. Son modificaciones químicas (grupos fosfato, metilo o acetilo) que se unen a aminoácidos específicos en la proteína o a los nucleótidos del ADN. Las etiquetas no alteran la secuencia de bases del ADN, pero sí alteran la fuerza con la que está el ADN alrededor de las proteínas histonas. El ADN es una molécula cargada negativamente; por lo tanto, los cambios en la carga de la histona cambiarán cuán apretada estará la molécula de ADN. Cuando no se modifican, las proteínas histonas tienen una gran carga positiva; al agregar modificaciones químicas como grupos acetilo, la carga se vuelve menos positiva.
La propia molécula de ADN también se puede modificar. Esto ocurre dentro de regiones muy específicas llamadas islas CpG. Se trata de tramos con alta frecuencia de pares de ADN de dinucleótidos de citosina y guanina (CG) que se encuentran en las regiones promotoras de los genes. Cuando existe esta configuración, el miembro citosina del par puede ser metilado (se agrega un grupo metilo). Esta modificación cambia la forma en que el ADN interactúa con las proteínas, incluyendo las proteínas histonas que controlan el acceso a la región. Las regiones de ADN altamente metiladas (hipermetiladas) con histonas desacetiladas están fuertemente enrolladas y transcripcionalmente inactivas.
Este tipo de regulación génica se llama regulación epigenética. Epigenética significa “alrededor de la genética”. Los cambios que se producen en las proteínas histonas y en el ADN no alteran la secuencia de nucleótidos y no son permanentes. En cambio, estos cambios son temporales (aunque a menudo persisten a través de múltiples rondas de división celular) y alteran la estructura cromosómica (abierta o cerrada) según sea necesario. Un gen puede activarse o desactivarse dependiendo de la ubicación y modificaciones de las proteínas histonas y el ADN. Si se va a transcribir un gen, las proteínas histonas y el ADN se modifican rodeando la región cromosómica que codifica ese gen. Esto abre la región cromosómica para permitir el acceso para que la ARN polimerasa y otras proteínas, llamadas factores de transcripción, se unan a la región promotora, ubicada justo aguas arriba del gen, e inicien la transcripción. Si un gen va a permanecer apagado, o silenciado, las proteínas histonas y el ADN tienen diferentes modificaciones que señalan una configuración cromosómica cerrada. En esta configuración cerrada, la ARN polimerasa y los factores de transcripción no tienen acceso al ADN y la transcripción no puede ocurrir (Figura\(\PageIndex{3}\)).
Enlace al aprendizaje
Vea este video que describe cómo la regulación epigenética controla la expresión génica.
Resumen
En las células eucariotas, la primera etapa del control de la expresión génica ocurre a nivel epigenético. Los mecanismos epigenéticos controlan el acceso a la región cromosómica para permitir que los genes se enciendan o desactiven. Estos mecanismos controlan cómo el ADN se empaqueta en el núcleo regulando la fuerza con la que se enrolla el ADN alrededor de las proteínas histonas. La adición o eliminación de modificaciones químicas (o banderas) a proteínas histonas o señales de ADN a la célula para abrir o cerrar una región cromosómica. Por lo tanto, las células eucariotas pueden controlar si un gen se expresa controlando la accesibilidad a los factores de transcripción y la unión de la ARN polimerasa para iniciar la transcripción.
Conexiones de arte
Figura\(\PageIndex{2}\): En las hembras, uno de los dos cromosomas X se inactiva durante el desarrollo embrionario debido a cambios epigenéticos en la cromatina. ¿Qué impacto crees que tendrían estos cambios en el empaque de nucleosomas?
- Responder
-
Los nucleosomas se empaquetarían más estrechamente.
Glosario
- factor de transcripción
- proteína que se une al ADN en la región promotora o potenciadora y que influye en la transcripción de un gen