Desvelando los secretos de la proteína H1 como estabilizadora del genoma

Científicos del Instituto de Biología Molecular de Barcelona del CSIC trabajan para desvelar los secretos de la heterocromatina, la parte más silenciada del genoma. Los factores que la regulan (o la desregulan, en caso de error) pueden tener implicación en el crecimiento, el desarrollo y la aparición de enfermedades. Dos estudios recientes aportan nuevos datos sobre uno de esos factores, una proteína: la intrigante histona H1.

Cromosomas politénicos de Drosophila. En un círculo amarillo, el cromocentro, región donde se acumula la heterocromatina. Imagen: Jordi Bernués, IBMB CSIC.“Tan sólo un 2% del genoma humano codifica para proteínas”, explica Albert Jordan, científico del Instituto de Biología Molecular de Barcelona del CSIC. “El resto es ADN no codificante, es decir, que no codifica para genes pero que juega un papel estructural en el genoma”.

Parte de ese ADN no codificante está en la heterocromatina, la parte más compactada y menos rica en genes, y la más silenciada: sus genes no se expresan ni está previsto que se expresen y, hasta donde se sabe, su papel es estructural. ¿Cómo se regula la heterocromatina? Parte de la respuesta está en las histonas, unas proteínas, cuya función se está investigando. 

Ahora, dos trabajos recientes de científicos del Instituto de Biología Molecular de Barcelona del CSIC y del IRB Barcelona arrojan luz sobre la función de la H1, la más desconocida de las cinco histonas que existen. Y en ambos casos se señala el papel de H1 en la estabilidad genómica.

La H1 reprime secuencias no codificantes

En uno de estos trabajos, el equipo dirigido por Albert Jordan demuestra que la eliminación de la histona H1 en células humanas desencadena una fuerte respuesta de interferón. El interferón es la molécula que sintetizan las células como primera respuesta en su lucha contra los patógenos. El trabajo se ha publicado en la revista  Nucleic Acids Research.

El experimento, realizado sobre células humanas cancerosas, muestra que la eliminación de cada una de las isoformas de H1 (en las células somáticas de mamíferos hay siete subtipos) desencadena alteraciones en la expresión de un subconjunto de genes y en la proliferación celular. Pero la alteración más dañina es la supresión simultánea de dos de esas isoformas (la H1.2 y la H1.4), que desencadena la mencionada síntesis de interferón y la muerte celular

Esto es debido, explica Jordan, a que la supresión de esas isoformas de H1 hace que se desilencie una parte del ADN no codificante: los llamados “satélites” (secuencias de ADN repetitivas, que se pueden repetir hasta millones de veces) y retrovirus endógenos, que en algun momento de la evolución se integraron al genoma.

Esas secuencias, en condiciones normales juegan un papel estructural y están silenciadas por H1. Cuando se elimina H1, los satélites y retrovirus se expresan, el organismo no los reconoce como suyos y desencadena la respuesta defensiva. El experimento demuestra el papel esencial de H1 en el mantenimiento del equilibrio celular, y reprimiendo zonas no codificantes, en especial de las variantes H1.2 y H1.4.

El uso de células tumorales, explica Jordan, responde a que son de fácil crecimiento en laboratorio. Ahora los investigadores se proponen ampliar el experimento a otros tipos de células para confirmar los resultados.  

La H1 como estabilizadora del genoma

En el otro trabajo, liderado por los científicos del CSIC Ferran Azorín y Jordi Bernués y publicado en Nature Communications, se ha estudiado el papel de la H1 con la mosca Drosophila. La ventaja de Drosophila es que sólo tiene una isoforma de H1 (frente a las siete de los mamíferos).
Con técnicas de manipulación genética, los científicos obtuvieron ejemplares de Drosophila que carecían de H1 en todo el organismo. El resultado era que los animales no podían sobrevivir, lo que confirmaba que la H1 es esencial para la supervivencia del animal. Después, obtuvieron moscas a las que les faltaba la H1 sólo en un órgano (el ala), lo que se tradujo en malformaciones y una degeneración general del órgano. Un posterior análisis celular reveló que la falta de H1 conllevaba una muerte celular (apoptosis) generalizada.

Tal como explican los autores, cuando se elimina la histona H1, “se produce un intenso daño genómico en forma de múltiples roturas de la doble cadena de ADN que producen inestabilidad genómica”. Los análisis mostraron, además, que el daño se daba especialmente en la heterocromatina, y que ese daño iba acompañado de la expresión de genes y retrotransposones de la heterocromatina, que normalmente están reprimidos.

Por primera vez, explica Bernués, “hemos observado que este daño se debe a que la falta de H1 hace que se desregulen y se expresen partes de la heterocromatina que no deberían expresarse, lo que lleva a la formación de híbridos ARN:ADN, los llamados R-loops”. Estos son estructuras aberrantes que se forman cuando una cadena recién formada de ARN se hibrida con la cadena de ADN transcrita, dejando la cadena de ADN no transcrita suelta, sin hibridar.

“Nuestros resultados demuestran que el daño en el ADN, la inestabilidad genómica y la muerte celular inducidas por la ausencia de H1 están directamente relacionados con la formación de estos híbridos”, explican los autores en su estudio.

Ahora bien, cuando los científicos alteraron la expresión de la heterocromatina por otros medios, pero la H1 seguía presente, el daño no se producía. Lo que lleva a pensar que el papel de la H1 va más allá de simplemente silenciar la heterocromatina.
“Pensamos que la H1 debe desencadenar o ser una pieza esencial de algún tipo de mecanismo protector”.  Los híbridos ARN:ADN se forman en ocasiones de forma natural. Pero la formación sin control, como sucede en ausencia de H1, es una fuente de inestabilidad genómica muy importante y es, además, una de las marcas típicas de los tumores.

Aunque se trata de investigaciones muy preliminares, los trabajos aportan nueva luz sobre el papel de la H1, así como sobre los mecanismos implicados en la inestabilidad genómica y en la hiperrecombinación de algunos tipos de cáncer.

Articulos de referencia:

Izquierdo-Bouldstridge A*, Bustillos A*, Bonet-Costa C, Aribau P, Garcia D, Dabad M, Esteve-Codina A, Pascual L, Peiro S, Esteller M, Murtha M, Millán-Ariño Ll, Jordan A (2017) Histone H1 depletion triggers an interferon response in cancer cells via activation of heterochromatic repeats. Nucleic Acids Research. doi.org/10.1093/nar/gkx746.

Aleix Bayona-Feliu, Anna Casas-Lamesa, Oscar Reina, Jordi Bernués and Fernando Azorín (2017) Linker histone H1 prevents R-loop accumulation and genome instability in heterochromatin.  Nature Communications. 8; 283 doi: 10.1038/s41467-017-00338-5

 

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