Ensamblaje de la cromatina e integridad genómica

Article published in May 2014.

DOI: http://dx.doi.org/10.18567/sebbmdiv_ANC.2014.05.1

Félix Prado 
Centro Andaluz de Biología Molecular y Medicina Regenerativa (CABIMER)
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The assembly of DNA into chromatin generates a highly dynamic structure that regulates chromosome metabolism. Defective nucleosome assembly by histone depletion or mutations in genes encoding chromatin assembly factors, conditions associated with cancer and aging, causes replication fork breakage and genetic instability.

 

La interacción entre histonas y ADN genera una estructura nucleoproteica - la cromatina - que facilita el empaquetamiento del material genético dentro del reducido espacio que le proporciona el núcleo. Más allá de esta función estructural, pronto se demostró que las histonas constituyen una "armadura" dinámica que limita y regula la interacción del ADN con los factores que dirigen la replicación, la transcripción o la segregación cromosómica (Kornberg y Lorch, 1999). Su unidad repetitiva - el nucleosoma, formado por 4 pares de las histonas canónicas: H3, H4, H2A y H2B - puede ser desplazado, alterado estructuralmente con histonas no canónicas, y modificado covalente - y reversiblemente - mediante la adición de residuos químicos. Estas modificaciones no sólo alteran la accesibilidad del ADN, sino que generan un código de información adicional al genético (determinado por la secuencia de ADN) llamado código epigenético (Strahl y Allis, 2000).
La pérdida de integridad genómica es una característica tanto de los procesos tumorales como de numerosas enfermedades genéticas. La íntima conexión entre ADN e histonas plantea cuál es el papel que la cromatina tiene en el mantenimiento de la estabilidad genética y la proliferación celular. De acuerdo con su potencial regulador, la cromatina tiene funciones esenciales en la respuesta a daños en el ADN, controlando los mecanismos que reparan los daños y los que coordinan esa reparación con la progresión a lo largo del ciclo celular (Soria et al., 2012).
En nuestro grupo nos hemos planteado si defectos en la dinámica e integridad de la cromatina pueden ser una fuente adicional de inestabilidad genética, y en caso afirmativo, cómo responden las células a esos daños en el ADN. Estas preguntas son particularmente relevantes en cuanto que la integridad de la cromatina puede verse afectada tanto por mutaciones como por agentes genotóxicos que afectan a la deposición de las histonas y a los patrones de marcas epigenéticas. De hecho, el envejecimiento celular está asociado a modificaciones en los patrones epigenéticos y a reducciones en los niveles disponibles de histonas (O'Sullivan y Karlseder, 2012).
El estudio del intercambio de histonas canónicas por histonas variantes pone de manifiesto la importancia de la
dinámica de la cromatina sobre la integridad funcional del genoma. La substitución de H2A por H2A.Z, catalizada por el complejo SWR1, facilita la regulación transcripcional, el silenciamiento de cromatina, la actividad de la cromatina centromérica y la reparación de daños en el ADN. Mientras que la ausencia de H2A.Z da lugar a una actividad genotóxica del complejo SWR1 sobre la cromatina que genera defectos transcripcionales y de reparación, la ausencia del complejo SWR1 afecta a la dinámica de los centros de reparación (Morillo-Huesca et al., 2010).
No obstante, el principal mecanismo de inestabilidad genética asociado a defectos en la dinámica de la cromatina parece estar ligado al ensamblaje de los nucleosomas durante la replicación. El ensamblaje del ADN en cromatina durante la fase S está física y genéticamente acoplado a la síntesis de ADN. El ensamblaje en cromatina de todo el genoma requiere una fuerte demanda de histonas durante la fase S; éstas son rápidamente depositadas tras la horquilla de replicación mediante un proceso que requiere chaperonas, modificaciones específicas de histonas, y ensambladores de cromatina. Mutaciones en genes que codifican algunos de estos factores están asociados a cáncer y enfermedades genéticas, pero el hecho de que tengan funciones adicionales a su papel en ensamblaje de nucleosomas hace difícil determinar cómo promueven la enfermedad (Burgess y Zhang, 2013). Mediante aproximaciones genéticas en la levadura Saccharomyces cerevisiae, hemos demostrado que una reducción en los niveles disponibles de histonas causa una pérdida de estabilidad del replisoma y la consecuente rotura de horquillas de replicación, resaltando la importancia de un estricto control de los niveles de histonas en la integridad genómica (Clemente-Ruiz y Prado, 2009). Estos datos sugieren un papel activo del proceso de ensamblaje de cromatina en la estabilidad de las horquillas de replicación y, en consecuencia, en el mantenimiento de la integridad genómica. De acuerdo con esa hipótesis, hemos demostrado que mutaciones en genes que controlan diferentes pasos del proceso de deposición de las histonas H3 y H4 causan roturas de horquillas de replicación (Clemente-Ruiz et al., 2011). Por tanto, los defectos en el ensamblaje de la cromatina son una fuente potencial de inestabilidad genética. Sin embargo, estos mutantes son capaces de completar la replicación con relativamente pocos reordenamientos genómicos, lo cual consiguen gracias a una eficiente reparación por recombinación homóloga (HR, homologous recombination) que evita que las roturas se procesen por unión de extremos no homólogos (NHEJ, non-homologous end-joining) (Clemente-Ruiz y Prado, 2009; Clemente-Ruiz et al., 2011) (ver Figura). Aunque necesitamos determinar el impacto de mutaciones que afecten al ensamblaje de los nucleosomas sobre la estabilidad de las horquillas replicativas y la acumulación de daños en el ADN en células humanas, nuestros resultados sugieren que defectos en el proceso de ensamblaje de cromatina pueden ser una causa importante del estrés replicativo asociado a cáncer y envejecimiento. Es por ello importante determinar las causas moleculares mediante las cuales los nucleosomas recién ensamblados estabilizan las horquillas de replicación, y qué condiciones genéticas y ambientales comprometen este proceso.

 

 

  Figura. El ensamblaje de nucleosomas previene la inestabilidad de las horquillas de replicación.

 

REFERENCES

 

1. Burgess, R.J., and Zhang, Z. (2013). Histone chaperones in nucleosome assembly and human disease. Nat Struct Mol Biol 20, 14-22.
2. Clemente-Ruiz, M., and Prado, F. (2009). Chromatin assembly controls replication fork stability. EMBO Rep. 10, 790-796.
3. Clemente-Ruiz, M., González-Prieto, R., and Prado, F. (2011). Histone H3K56 Acetylation, CAF1, and Rtt106 Coordinate Nucleosome Assembly and Stability of Advancing Replication Forks. PLoS Genet 7, e1002376.
4. Kornberg, R.D., and Lorch, Y. (1999). Twenty-five years of the nucleosome, fundamental particle of the eukaryote chromosome. Cell 98, 285-294.
5. Morillo-Huesca, M., Clemente-Ruiz, M., Andújar, E., and Prado, F. (2010). The SWR1 Histone Replacement Complex Causes Genetic Instability and Genome-Wide Transcription Misregulation in the Absence of H2A.Z. PLoS ONE 5, e12143.
6. O'Sullivan, R.J., and Karlseder, J. (2012). The great unravelling: chromatin as a modulator of the aging process. Trends in Biochemical Sciences 37, 466-476.
7. Soria, G., Polo, S.E., and Almouzni, G. (2012). Prime, Repair, Restore: The Active Role of Chromatin in the DNA Damage Response. Molecular Cell 46, 722-734.
8. Strahl, B.D., and Allis, C.D. (2000). The language of covalent histone modifications. Nature 403, 41-45.

 

 

 

 

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Entrevista

Félix Prado
Centro Andaluz de Biología Molecular y Medicina Regenerativa (CABIMER) 
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P.- ¿Cuándo surgió su vocación científica?

R.- Siempre me han atraído las ciencias biológicas, pero no fue hasta mediados de la carrera cuando decidí que quería dedicarme a la investigación. La Facultad de Biología de Sevilla tenía un merecido prestigio tanto en Bioquímica como en Genética, gracias a la labor de los Profesores Manuel Losada y Enrique Cerdá, y cualquiera de las dos disciplinas me atraía. Finalmente me decidí por la Genética, fundamentalmente porque se me abrió la posibilidad de trabajar en inestabilidad genética en el laboratorio que por entonces arrancaba el Profesor Andrés Aguilera. Desde el principio fue un tema que me fascinó y al que me dedico actualmente.

 

P.- ¿Recibió de joven algún consejo al que siga siendo fiel?

R.- Algo esencial que me transmitió mi padre fue la importancia de que a la hora de elegir un trabajo, el primer criterio fuera que me gustara, que no viviera la vida esperando que llegara el fin de semana porque lo que hacía no me llenara personalmente, porque son muchas las horas que uno vive trabajando y es importante disfrutarlas. Ese consejo me llevó a estudiar Biología y posteriormente a dedicarme a la investigación, elecciones que a priori, en particular en España, eran cuanto menos arriesgadas. Y nunca me he arrepentido. Ese mismo consejo trato de seguirlo cuando me planteo problemas biológicos, porque creo que la vocación es el mejor motor para conseguir buenos resultados en cualquier actividad humana, y muy en particular en Ciencia. 

 

P.- ¿Cuáles son desde su punto de vista las características que definen a un buen investigador?

R.- Como he planteado anteriormente, antes que nada debe disfrutar con la investigación. A partir de ahí debe ser riguroso a la hora de plantearse el problema que quiere resolver, porque si éste falla todo lo demás fallará, imaginativo a la hora de abordarlo, crítico a la hora de analizar los resultados, y en todo momento trabajador y perseverante. Y sobre esa base, cuanto más inteligente y más conocimientos tenga, mejor.

 

P.- ¿Podría describirnos brevemente en qué consiste su línea de investigación actual y cuál es su trascendencia? ¿Cómo ve el futuro de este área científica?

R.- Durante toda mi carrera investigadora he estado particularmente interesado en los procesos que afectan a la integridad del genoma, y cuáles son las consecuencias que los daños en el ADN tienen en la progresión a lo largo del ciclo celular. En particular, me interesa qué papel juega en estos procesos la cromatina, que es el primer nivel de organización estructural del ADN. Este área es particularmente fascinante porque requiere conocer todos aquellos procesos relacionados con el metabolismo celular, y en concreto, los mecanismos que utilizan el ADN como sustrato, tales como la replicación, la transcripción, la reparación o los mecanismos de segregación cromosómica. El futuro de este área científica está garantizado porque aborda preguntas de conocimiento básico esenciales para entender la célula, así como los mecanismos que previenen la inestabilidad genética asociada con el cáncer y numerosas enfermedades genéticas.

 

P.- ¿Cuál consideraría que ha sido el principal avance científico del siglo XX? ¿Cuál es el avance científico que más le ha impresionado?

R.- El siglo XX está lleno de grandes descubrimientos en el área de la Biología, en particular los que llevaron a definir y caracterizar el ADN como la molécula portadora de la información genética - desde Griffith a Watson y Crick -, punto a partir del cual se han disparado nuestros conocimientos sobre el funcionamiento celular y las consecuencias que para los organismos tienen defectos en los procesos celulares. No obstante, siguen siendo los descubrimientos de Darwin y Mendel un siglo antes los que más me siguen sorprendiendo por la capacidad de abstracción y libertad de pensamiento que tuvieron para plantearlos, adelantándose a su tiempo y a numerosos y enormes prejuicios, que son siempre el principal freno del científico. Y fuera de la Biología, no puedo evitar hacer referencia por haber sido testigo, a la revolución de los medios de la información, y que marca no sólo nuestra manera de abordar la ciencia sino en general de relacionarnos con el mundo.

 

P.- ¿Cuál es su opinión sobre cómo está articulada la carrera científica en España?

R.- Por desgracia son muchos los defectos, y no hay visos de que se vayan a corregir, al menos a corto plazo. Se forma con mayor o menor fortuna a numerosos investigadores, pero no existe una estructura, ni pública ni privada, donde posteriormente puedan desarrollar su carrera científica. Y hay - no sólo en España, también en el marco europeo - una desafortunada política científica que prioriza la financiación de la investigación en función de su potencial aplicabilidad. Esto es un grave error porque intenta canalizar la investigación sobre lo que previsiblemente es más productivo, lo que en último término es un prejuicio y por tanto un freno para la Ciencia. Y porque además olvida que el principal motor del hombre ha sido su deseo de conocer por el simple hecho de conocer.

Perfil biográfico

Félix Prado
Centro Andaluz de Biología Molecular y Medicina Regenerativa (CABIMER) 
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El Dr. Félix Prado (Madrid, 1968) es licenciado en Biología por la Universidad de Sevilla (1991), donde realizó una tesis doctoral (1992-1996) bajo la dirección del Dr. Andrés Aguilera sobre los mecanismos de inestabilidad genética asociados a repeticiones en el ADN. Tras una estancia posdoctoral en el laboratorio del Dr. Miguel Beato en la Philipp-Universitat en Marburg (Alemania) (1997-2000), estudiando la importancia del posicionamiento nucleosómico en la regulación transcripcional, se reincorporó a la Universidad de Sevilla dentro del programa Ramón y Cajal. En el año 2006 obtuvo una plaza como Científico Titular del CSIC, y desde entonces dirige un grupo de investigación en el Centro Andaluz de Biología Molecular y Medicina regenerativa (CABIMER), cuyos principales logros se centran en la importancia de la dinámica de la cromatina en la estabilidad genética y el ciclo celular, así como en los mecanismos de tolerancia a estrés replicativo.

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