Geni istonici replicativi: espressi in maniera

Presentazione sul tema: "Geni istonici replicativi: espressi in maniera"— Transcript della presentazione:

1 Geni istonici replicativi: espressi in maniera
coordinata in fase S Varianti istoniche di sostituzione: prodotte in maniera variabile durante tutto il ciclo cellulare; hanno caratteristiche specifiche che li distinguono dagli istoni replicativi e hanno un forte impatto sulle funzioni cellulari.

2 VARIANTI ISTONICHE S viene fosforilata in seguito a danni al DNA §: differenze in questo loop prevengono l’assemblaggio di un nuc. contenente H2A e H2A.Z #: questo dominio contatta (H3-H4)2 e variazioni qui influenzano la stabilità del nucleosoma. # Le varianti istoniche sono coinvolte in vari processi, sia nella espressione genica, sia nella riparazione del DNA, sia nella costruzione di strutture eterocromatiche.

3 VARIANTI DI H3 Le principali varianti di H3 nei mammiferi sono:
Varianti replicative: H3.1 e H3.2 deposti durante la fase S Varianti di sostituzione: H3.3: ruolo positivo nella trascrizione. Blocca l’espansione dell’eterocromatina CENP-A: Specifico per la cromatina centromerica Si accumulano durante tutto il ciclo cellulare nelle regioni molto trascritte come ad esempio il cluster dei geni ribosomali Varianti di H3 sono state trovate anche in altri organismi come Drosophila, Xenopus, Caenorabditis elegans, piante ecc.

4 Le varianti H3.1 e H3.3 hanno anche proprietà di assemblaggio diverse
Chaperone di H3.1 = CAF-1 Chaperone di H3.3 = HIRA Le due diverse chaperone supportano rispettivamente l’assemblaggio replicativo (RC) e l’assemblaggio indipendente dalla replicazione (RI). Sia il complesso HIRA che la subunità RbAp48 di CAF-1 hanno dei domini WD-40 ripetuti che sono noti interagire con il dimero H3-H4; Analogamente ASF-1 mostra preferenza di legame con il dimero H3-H4; Questo suggerisce che queste caratteristiche condivise riflettano il coinvolgimento nello stesso pathway di assemblaggio.

5 Dinamicità della cromatina
Nonostante la stabilità del nucleosoma e dell’alto grado di compattezza nel nucleo la cromatina è sorprendentemente dinamica. Esistono vari modi di modificare la cromatina e rispondere alle necessità della cellula di regolare i processi biologici dall’espressione genica, alla riparazione del DNA, alla replicazione e ricombinazione. Uso di varianti istoniche, in particolare varianti di H2A e H3. Modificazioni epigenetiche degli istoni: acetilazione, metilazione ed altre. Uso di sistemi di rimodellamento che cambiano la stabilità e/o la posizione del nucleosoma.

6 Modificazioni covalenti delle code ammino-terminali
K4 K9 S10 K14 R17 K18 K23 R26 K27 S28 H3 K79 S1 R3 K5 K8 K12 K16 K20 H4 H2A K9 K5 K119 H2B S1 E3 K12 K15 K20 K24 K120 Metilazione Acetilazione Fosforilazione Poly-ADP ribosilazione Ubiquitinazione

7 Tipi di modificazione istoniche
Acetilazione: implicata nella regolazione dell’espressione genica. Interessa le LISINE (K). Metilazione: associata a differenti funzioni cromatiniche e alla regolazione della trascrizione. Interessa le ARGININE e le LISINE (R e K). Fosforilazione: coinvolta nella regolazione della trascrizione, nei processi di riparo del DNA e nella condensazione cromosomica durante la mitosi. Interessa le SERINE (S). Ubiquitinazione: critica per i processi di mitosi e di meiosi. Interessa le LISINE (K). poli(ADP)Ribosilazione:associata a varie funzioni cromatiniche (condensazione e decondensazione), principalmente al rilevamento di danni al DNA, ma anche ad altre funzioni genomiche. Interessa le GLUTAMINE (E).

8 Conseguenze funzionali delle modificazioni istoniche
Le modificazioni non influenzano la stabilità del core nucleosomale, ma alterano solamente la carica elettrostatica delle code N-terminali. Ciò modifica le proprietà strutturali dell’istone o il suo legame al DNA. Si crea un meccanismo che altera la struttura della cromatina, la cui conseguenza è una modificazione dello stato trascrizionale (“on-off”) oppure la definizione di strutture cromosomali di ordine superiore. Modificazioni transitorie e quindi reversibili.

9 A) Tutte le modificazioni vengono effettuate da COMPLESSI ENZIMATICI ad esse dedicati. La delezione dei geni codificanti tali enzimi è di solito letale. B) Le modificazioni covalenti creano siti di legame per particolari domini proteici reclutando così specifici complessi di “proteine associate alla cromatina”. Sia i complessi enzimatici che modificano gli istoni sia i fattori che interagiscono con le modificazioni sono stati identificati come MODIFICATORI di PEV Gruppo Su(var), soppressori Deacetilasi istoniche (HDACs) Fosfatasi proteiche (PPTs) S-adenosilmetionina sintetasi (SAM) HP1 [Su(var)2-5] Gruppo E(var), intensificatori Presenti in vari complessi di rimodellamento della cromatina ATP-dipendenti: Swi/Snf brahma questi aumentano la mobilità nucleosomale

10 Su(var) ed E(var) CONTENGONO PARTICOLARI DOMINI PROTEICI
Bromodominio: SNF2 TAFII250 HRX/M11 (gruppo TRX nel mammifero; interagisce con complessi di rimodellamento) Dominio SET: Su(var)3-9 E(z) (gruppo Pc; ha anche attività di Acetilasi istonica) Tritorax Cromodominio: Polycomb HP1

11 Residui acetilati interagiscono con il Bromodominio Residui metilati interagiscono con il Cromodominio

12 L’ACETILAZIONE H3 H4 H2A H2B
Nel 1964 Allfrey scoprì l’esistenza di istoni acetilati o deacetilati e ipotizzò un loro ruolo nella regolazione genica. Nel 1996 venne identificata e purificata la prima acetiltrasferasi istonica (HAT: Histone Acetyl-Transferase). Oggi il numero di acetilasi e deacetilasi istoniche si è ampliato notevolmente H3 H2A H4 H2B K9 K14 K18 K23 K27 K12 K15 K20 K24 K5 K8 K16

13 RUOLO DELL’ACETILAZIONE ISTONICA
HDAC HAT Decondensa la fibra da 30nm Favorisce l’accesso dei fattori di trascrizione sulla cromatina Agisce come segnale per il legame di proteine non istoniche

14 METILAZIONE Sono state identificate metilasi specifiche per alcuni residui di lisina: Drosophila: Su(var)3-9 S.pombe: Clr4 Human: SUV39H1 L’attività metilasica è espletata dal dominio SET di questi enzimi ed è specifica per H3K9. Anche altri residui possono essere metilati (a carico di altre metilasi). H3metK9 viene riconosciuta dalla proteina HP1 attraverso il suo cromodominio. Non è stata identificata, invece, alcuna attività metilasica per i domini SET contenuti in PcG e Trx H3 R2 K4 K9 S10 K14 R17 K18 K23 R26 K27 S28 S1 R3 K5 K8 K12 K16 K20 H4

15 RUOLO DELLA METILAZIONE
Esiste un legame tra funzione Su(var), silenziamento genico e assemblaggio dell’eterocromatina E(var) e Trx inseriscono segnali eucromatici e destabilizzano o degradano l’imprint eterocromatico Su(var) e PcG favoriscono l’aggiunta di segnali eterocromatici e rimuovono segnali eucromatici

16 IL CODICE ISTONICO Quasi sempre le modificazioni istoniche sono evidenziabili in combinazione. La natura combinatoriale delle modificazioni istoniche rivela l’esistenza di una sorta di CODICE ISTONICO (“histone code”) che impone le caratteristiche regolative di un gene, estendendo l’informazione potenziale del codice genetico. Questi stati epigenetici devono essere stabiliti, mantenuti ed ereditati attraverso mitosi e meiosi (MEMORIA CELLULARE). Il fenotipo è però sempre VARIEGATO, poiché possono avvenire repentini cambiamenti di stato.

17 Le regole del codice istonico
Modificazioni sullo stesso e/o su differenti istoni possono essere interdipendenti e generare varie combinazioni su qualunque nucleosoma Distinte modificazioni delle code istoniche inducono interazioni con diverse proteine associate alla cromatina:

18 Diversi tipi di struttura di ordine superiore dipendono dalla concentrazione locale e dalla combinazione di nucleosomi modificati differenzialmente In pratica le modificazioni istoniche servono a definire particolari stati della cromatina.

19 uno stato “on-off” della trascrizione.
Le modificazioni istoniche alterano la struttura della cromatina, determinando uno stato “on-off” della trascrizione. Condensazione mitotica Eterocromatina Diverse combinazioni riscontrate su geni attivati

20 La modificazione di un residuo influenza quella di un altro residuo
sullo stesso istone o su un altro dello stesso nucleosoma. L’interazione può essere SINERGICA: pH3S10 favorisce AcH3K9 e/o K14 durante la stimolazione ormonale in cellule di mammifero; oppure ANTAGONISTICA: pH3S10 inibisce metH3K9 Su H4 si hanno situazioni analoghe.

21 MODIFICAZIONI DELLE VARIANTI ISTONICHE NUCLEOSOMALI DI H3
Nella pianta alfalfa si è visto che H3.3 è circa due volte più acetilato che l’istone H3 (variante replicativa) Dato confermato anche in Drosophila e mammifero H3.3 è arricchito in regioni altamente trascritte e contiene modificazioni associate alla trascrizione: metH3K4; metH3K36; AcH3K9,14,18,23

22 La situazione può essere ancora più complessa
combinazione di varianti istoniche e PTM può definire il destino di regioni cromatiniche e influenzare anche il fato cellulare.

23 Modello per l’instaurazione e il mantenimento del pattern di modificazioni
posttrascrizionali delle varianti di H3 ? PTMs sugli istoni varianti non-nucleosomali: H3.3: K9- meK9, me2K9, acK9,14 Questo profilo non è suscettibile di ulteriore modificazione da parte di Suv39. H3.1: K9- meK9 inserito nel nucleosoma può essere ulteriormente metilato da Suv39

24 L’IPOTESI BARCODE PER L’ISTONE H3
Hake S.B. and Allis C.D. (2006) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103; Our hypothesis rests on the central concept that mammalian histone H3 variants (H3.1, H3.2, and H3.3), although remarkably similar in amino acid sequence, exhibit distinct posttranslational ‘‘signatures’’ that create different chromosomal domains or territories, which, in turn, influence epigenetic states during cellular differentiation and development. L’idea è che varianti di H3, differentemente modificate possano contribuire a stabilire DOMINI CROMOSOMALI Questo risulterebbe da una scelta combinata di percorsi di assemblaggio (varianti ed enzimi che le modificano prima della deposizione) e ambienti circostanti specifici (azione locale di enzimi modificanti sulla cromatina).

25 Studi recenti hanno evidenziato un ruolo per le varianti di H3 nella
determinazione del destino cellulare durante l’embriogenesi. Durante la meiosi avviene un rimodellamento massivo della cromatina nei cromosomi sessuali maschili, che incorporano specificamente H3.3 In Drosophila e topo quando il DNA paterno si decondensa incorpora H3.3 di origine materna. In Drosophila HIRA di origine materna è stato implicato nella deposizione di H3.3 sulla cromatina materna. Mutazioni in questo gene causano difetti nello stadio di decondensazione. In topo mutanti di HIRA non vanno oltre lo stato di gastrula. Quindi nel topo HIRA è essenziale a stadi successivi alla decondensazione. Domini cromosomali paterni e materni hanno diverse caratteristiche: Cromatina pericentrica materna: 3meH3K9 + 3meH4K20 + HP1β Cromatina pericentrica paterna: meH3K9 + HP1β