Científics de l'Institut de Biologia Molecular de Barcelona del CSIC treballen per descobrir els secrets de l'heterocromatina, la part més silenciada del genoma. Els factors que la regulen (o la desregulen, en cas d'error) poden tenir implicació en el creixement, el desenvolupament i l'aparició de malalties. Dos estudis recents revelen el paper clau d’un d’aquests factors, la proteïna H1.

Cromosomes politènics de Drosophila. En el cercle groc, el cromocentre, regió on s'acumula l'heterocromatina. Imatge: Jordi Bernués, IBMB CSIC."Tan sols un 2% del genoma humà codifica per proteïnes", explica Albert Jordan, científic de l'Institut de Biologia Molecular de Barcelona del CSIC. "La resta és ADN no codificant, és a dir, que no codifica per gens però que juga un paper estructural en el genoma".

Part d'aquest ADN no codificant està en l'heterocromatina, la part més compactada i menys rica en gens, i la més silenciada: els seus gens no s'expressen ni està previst que s'expressin i, fins on se sap, el seu paper és estructural. Com es regula l'heterocromatina? Part de la resposta està en les histones, unes proteïnes, la funció s'està investigant.

Ara, dos treballs recents de científics de l'Institut de Biologia Molecular de Barcelona del CSIC i de l'IRB Barcelona aporten llum sobre la funció de la H1, la més desconeguda de les cinc histones que existeixen. I en tots dos casos s'assenyala el paper d'H1 en l'estabilitat genòmica.

La H1 reprimeix seqüències no codificants

En un d'aquests treballs, l'equip dirigit per Albert Jordan demostra que l'eliminació de la histona H1 en cèl·lules humanes desencadena una forta resposta d'interferó. L'interferó és la molècula que sintetitzen les cèl·lules com a primera resposta en la seva lluita contra els patògens. El treball s'ha publicat a la revista Nucleic Acids Research.

L'experiment, realitzat sobre cèl•lules humanes canceroses, mostra que l'eliminació de cadascuna de les isoformes de H1 (en les cèl•lules somàtiques de mamífers hi ha set subtipus) desencadena alteracions en l'expressió d'un subconjunt de gens i en la proliferació cel•lular. Però l'alteració més perjudicial és la supressió simultània de dues d'aquestes isoformes (la H1.2. i la H1.4.), que desencadena l'esmentada síntesi de interferó i la mort cel•lular.

Això és degut, explica Jordan, al fet que la supressió d'aquestes isoformes de H1 fa que es desilencie una part de l'ADN no codificant: els anomenats "satèl·lits" (seqüències d'ADN repetitives, que es poden repetir fins a milions de vegades) i retrovirus endògens, virus que en algun moment de l'evolució es van integrar en el genoma, fa milions d'anys.

Aquestes seqüències, en condicions normals juguen un paper estructural i estan silenciades per H1. Quan s'elimina H1, els satèl·lits i retrovirus s'expressen, l'organisme no els reconeix com a seus i desencadena la resposta defensiva.

L'experiment demostra el paper essencial d'H1, especialment de les variants H1.2 i H1.4,  en el manteniment de l'equilibri cel•lular, i reprimint zones no codificants.

L'ús de cèl·lules tumorals, explica Jordan, respon al fet que són de fàcil creixement en laboratori. Ara els investigadors es proposen ampliar l'experiment a altres tipus de cèl·lules per confirmar els resultats.

La H1, estabilitzadora del genoma

A l'altre treball, liderat pels científics del CSIC Ferran Azorín i Jordi Bernués i publicat a Nature Communications, s'ha estudiat el paper de la H1 amb la mosca Drosophila. L'avantatge de Drosophila és que només té una isoforma de H1 (enfront de les set dels mamífers).

Amb tècniques de manipulació genètica, els científics van obtenir exemplars de Drosophila que no tenien H1 en tot l'organisme. El resultat era que els animals no podien sobreviure, el que confirmava que la H1 és essencial per a la supervivència de l'animal. Després, van obtenir mosques a què els faltava la H1 només en un òrgan (l'ala), el que es va traduir en malformacions i una degeneració general de l'òrgan. Un posterior anàlisi cel•lular va revelar que la manca d'H1 comportava una mort cel•lular (apoptosi) generalitzada.

Tal com expliquen els autors, quan s'elimina la histona H1, "es produeix un intens dany genòmic en forma de múltiples trencaments de la doble cadena d'ADN que produeixen inestabilitat genòmica". Les anàlisis van mostrar, a més, que el dany es donava especialment en l'heterocromatina, i que aquest dany anava acompanyat de l'expressió de gens i retrotransposons de l'heterocromatina, que normalment estan reprimits.

Per primera vegada, explica Bernués, "hem observat que aquest dany es deu al fet que la manca d'H1 fa que es desregulen i s'expressin parts de l'heterocromatina que no haurien expressar-se, el que porta a la formació d'híbrids RNA: ADN, els anomenats R-loops ". Aquests són estructures aberrants que es formen quan una cadena acabada de formar d'ARN s'hibrida amb la cadena d'ADN transcrita, deixant la cadena d'ADN no transcrita solta, sense hibridar.

"Els nostres resultats demostren que el dany en l'ADN, la inestabilitat genòmica i la mort cel•lular induïdes per l'absència d'H1 estan directament relacionats amb la formació d'aquests híbrids", expliquen els autors en el seu estudi.

Ara bé, quan els científics van alterar l'expressió de l'heterocromatina per altres mitjans, però la H1 seguia present, el dany no es produïa. El que porta a pensar que el paper de la H1 va més enllà de simplement silenciar l'heterocromatina.

"Pensem que la H1 ha de desencadenar o ser una peça essencial d'algun tipus de mecanisme protector".  Els híbrids RNA:DNA es formen de vegades de forma natural. Però la formació sense control, com succeeix en absència d'H1, és una font d'inestabilitat genòmica molt important i és, a més, una de les marques típiques dels tumors.

Tot i que es tracta d'investigacions molt preliminars, els treballs aporten nova llum sobre el paper de la H1, així com sobre els mecanismes implicats en la inestabilitat genòmica i en la hiperrecombinación d'alguns tipus de càncer.

Articles de referència:

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