Las secuencias de DNA asociadas con los nucleosomas son preferentemente exónicas. Se propone que los nucleosomas asentados en los exones relentecen el paso de la polimerasa durante la transcripción y facilitan el reconocimiento de la estructura exón-intrón durante el splicing.
Como un hilo que se enrosca en innumerables carretes, el DNA se asocia a los nucleosomas (octámeros de histonas), constituyendo así a la cromatina. Las porciones del genoma que se encuentran como DNA desnudo son más susceptibles a degradación por la enzima nucleasa micrococal y aprovechando esta característica, se han utilizado anticuerpos anti-histonas para inmunoprecipitar el DNA asociado a los nucleosomas (inmunoprecipitación de cromatina o CHIP, por sus siglas en Inglés) y secuenciarlo. La longitud de los fragmentos de DNA protegidos de la degradación por los nucleosomas es de 147 pares de bases (pb). Funcionalmente, la cromatina y la expresión génica van de la mano. Algunas regiones del DNA son transcripcionalmente silentes, es decir que se encuentran en forma de heterocromatina. La formación de heterocromatina requiere de enzimas modificadores de la cromatina que incluyen, entre otras, metilasas de DNA, metilasas de histonas y desacetilasas de histonas (incrementando su afinidad por el DNA). De esta manera, cuando las regiones de DNA, que son sitios de inicio de la transcripción, se encuentran metilados o más fuertemente asociados a histonas, no son accesibles a la RNA polimerasa.
Por otra parte, los genes de organismos eucariontes están interrumpidos por intrones, es decir, secuencias que no están incluidas en los RNAs maduros, sean estos mensajeros (mRNA), ribosomales (rRNA) u otros. El splicing es el mecanismo por el cual, a partir de los transcritos primarios, se eliminan los intrones y se fusionan las secuencias codificantes o exones. Comparados con los intrones, los exones, en promedio son pequeños, de unos 140-150 nucleótidos (nt) y de tamaño uniforme. A cada exón le anteceden y le suceden los sitios de splicing (ss) aceptor o 3'ss y donador o 5'ss de los intrones flanqueantes. Estas señales son reconocidas por la maquinaria de splicing. Sin embargo, cuando los ss alrededor de un exón no están conservados, el exón no es reconocido por la maquinaria y no es incluido en el mensajero maduro, generándose dos o más variantes de splicing a partir de un transcrito primario; en este caso se dice que el splicing es alternativo.
En apariencia estos dos campos de investigación se cultivaron de manera independiente, pero dos trabajos seminales (1,2) que analizaron las secuencias de los genes registrados en los bancos de información en ese momento concluyeron, respectivamente, que: a) las secuencias ricas en AT de los intrones previenen la formación de nucleosomas estables y facilitan el reclutamiento de proteínas que participan en la transcripción, es decir facilitan la formación de eucromatina; y b) los ss estaban periódicamente distribuidos en fragmentos de ~200 nt. Una explicación propuesta para estos hallazgos fue que los nucleosomas estaban asociados a uniones intrón-exón, posiblemente protegiendo a estos sitios y a las secuencias codificantes de mutaciones. Con estos datos se sugirió una posible conexión entre la estructura primaria (secuencia) exón-intrón y la organización de los nucleosomas, que protegen 147 pb, en la cromatina.
La comunicación entre la estructura de la cromatina y la arquitectura exón-intrón se encontró hace unas semanas por los grupos de Gil Ast (3) y de Roderic Guigó (4). Ambos grupos realizaron un análisis profundo de las secuencias de fragmentos de DNA de humano y de ratón, obtenidas de experimentos de inmunoprecipitación de la cromatina (CHIP). Observaron que los nucleosomas se posicionan preferentemente en los exones, en tanto que los intrones permanecen sin ocuparse. Similarmente, cuando se usaron programas que predicen ocupación de nucleosomas, basados solamente en composición de secuencias, observaron que estas están enriquecidas en exones (y en los 50 nt adyacentes), y ausentas en los intrones. Estos datos coinciden tanto con las señales requeridas para el splicing, como con la longitud promedio de los exones (140-150 nt) y con los 147 pb protegidos por los nucleosomas. Tal coincidencia entre las etiquetas moleculares de la cromatina y el splicing podrían facilitar el reconocimiento de los exones a nivel de DNA (cromatina) y de RNA (transcrito) y no solamente durante el reconocimiento o definición del exón por la maquinaria de splicing.
Más aún, se observó mayor ocupación de nucleosomas en exones que contienen ss menos canónicos (exones alternativos), como si la presencia de nucleosomas asegurase su inclusión a pesar de sus características. Paralelamente, los intrones flanqueados por ss canónicos o pseudoexones, que no serán incluidos en un transcrito maduro, carecen de nucleosomas, como si la ausencia de nucleosomas no favoreciera su inclusión. Aunque hay grados: la ocupación de los nucleosomas se incrementa a medida que incrementa la inclusión de los exones (exones alternativos con menos de 50% de inclusión, exones alternativos con más de 50% de inclusión y exones constitutivos).
La ocupación de los exones por los nucleosomas es en sí una interconexión de etiquetas moleculares y de las funciones de la cromatina y el splicing. Los nucleosomas se encuentran unidos preferentemente a fragmentos de DNA ricos en GC, sin embargo tanto los intrones como los pseudoexones ricos en GC carecen de nucleosomas, lo que sugiere que el splicing participa en el marcaje de exones con nucleosomas. Este marcaje es además característico de heterocromatina (y no es exclusiva de exones) pues ambos autores encontraron metilasas de histonas asociadas a estos nucleosomas.
Finalmente, se propone que los nucleosomas presentes en los exones relentecen el paso de la Polimerasa II durante la transcripción, facilitando el reconocimiento de las señales de splicing en la maduración del transcrito.
Lecturas adicionales:
Solov'ev, V.V. and Kolchanov, N.A. (1985) [Exon-intron structure of eukaryotic genes can be due to the nucleosome organization of chromatin and to its related characteristics of gene expression regulation]. Dokl Akad Nauk SSSR, 284, 232-237.
Beckmann, J.S. and Trifonov, E.N. (1991) Splice junctions follow a 205-base ladder. Proc Natl Acad Sci U S A, 88, 2380-2383.
Schwartz, S., Meshorer, E. and Ast, G. (2009) Chromatin organization marks exon-intron structure. Nat Struct Mol Biol, 16, 990-995.
Tilgner, H., Nikolaou, C., Althammer, S., Sammeth, M., Beato, M., Valcarcel, J. and Guigo, R. (2009) Nucleosome positioning as a determinant of exon recognition. Nat Struct Mol Biol, 16, 996-1001.
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