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El papel regulador de la cromatina en la transcripción

En la cromatina el DNA envuelve un octámero de histonas formando nucleosomas, que se asocian para dar estructuras de orden superior. Esta organización supone un obstáculo para la transcripción. Pero la estructura de la cromatina es dinámica y cambia para permitir el acceso a elementos reguladores ocultos, en respuesta a marcas epigenéticas específicas en el DNA o en las histonas. De ese modo, la cromatina desempeña un papel regulador.

El DNA de una célula humana tiene una longitud cercana a 2 m y, sin embargo, está encerrado en el núcleo, cuyo diámetro es aproximadamente de 6 µm, es decir, unas 300.000 veces más pequeño. ¿Cómo se consigue este inmenso empaquetamiento? Una primera aproximación sería decir: enrollando el DNA, igual que en un carrete se pueden enrollar más de 300 m de hilo. Pero, además de que el tamaño del carrete solo es unas 10.000 veces menor que la longitud del hilo, en el caso del DNA hay otro problema: los grupos fosfato hacen que posea carga negativa distribuida a lo largo de la doble hélice. Para empaquetarlo, hay que superar la repulsión electrostática. En todos los eucariotas esto se consigue gracias a que el DNA forma un complejo -la cromatina- en el que las histonas constituyen el principal acompañante. Las histonas son proteínas básicas, cuya carga positiva puede neutralizar en parte la del DNA. Pero ahora se plantea otro problema: no hay que empaquetar en el núcleo solo el DNA sino además una cantidad prácticamente igual de histonas.

La estructura de la cromatina atrajo la atención de los investigadores desde mediados del siglo XX, pero no se comenzó realmente a avanzar en ese problema hasta 1974, cuando se descubrió el nucleosoma, la partícula elemental constituyente de la cromatina. Un nucleosoma está formado por un octámero de histonas -dos copias de H2A, H2B, H3 y H4-, una longitud variable de DNA y, en muchos casos, una molécula de una quinta clase de histonas, la H1. Aunque haya elementos variables en el nucleosoma, una parte de él, la partícula núcleo (core particle), está extraordinariamente bien conservada en todos los eucariotas. Está formada por el octámero de histonas rodeado por 147 pares de bases de DNA, que describen una vuelta y tres cuartos de superhélice. La dilucidación de la estructura de la partícula núcleo a nivel atómico supuso un reto para los investigadores. El grupo de Van Moudrianakis lo consiguió en 1991 solo con el octámero de histonas sin DNA y hasta 1997 no se logró con la partícula núcleo completa, gracias al trabajo del grupo de Tim Richmond.

La compactación de la cromatina no se agota con las partículas núcleo. Estas se disponen formando estructuras de orden superior, en las que las partículas adyacentes se colocan cara con cara, de modo que las histonas son ordinariamente poco accesibles: solo algunas partes de su estructura, especialmente los extremos N-terminales, son capaces de proyectarse hacia el exterior, saliendo a través de los surcos del DNA.

A medida que se avanzaba en el estudio de la estructura de la cromatina, se extendía la idea de que los nucleosomas, y más aún las estructuras de orden superior, suponían un obstáculo a la función del DNA. Por ejemplo, para que un gen se transcriba, la RNA polimerasa, cuyas dimensiones superan las del nucleosoma, debe separar las dos hebras del DNA y recorrer una de ellas, tarea que se nos antoja tan complicada como desenrollar los cabos de un hilo que, a su vez, estuviera retorcido en el interior de un ovillo. Pero poco a poco se fue imponiendo la idea de que las histonas no tienen un papel meramente pasivo en la compactación del DNA, sino que desempeñan una función reguladora. Ciertamente, la presencia de nucleosomas supone una dificultad para la transcripción, pero los nucleosomas no se colocan al azar. En muchos genes, las regiones reguladoras están desprovistas de nucleosomas, dejando las secuencias diana accesibles a los factores transcripcionales. En otros, sucede lo contrario. Es evidente que, en estos últimos, la presencia de las histonas impide el ensamblaje de la RNA polimerasa, mientras que en los primeros lo permite.

Pero la estructura de la cromatina es enormemente dinámica. Los octámeros de histonas pueden cambiar de lugar, deslizándose sobre el DNA o saltando de un lugar a otro, o pueden cambiar de estructura, abriéndose para permitir el acceso a secuencias de DNA que, de otro modo, permanecerían ocultas. En la mayor parte de las ocasiones, esta remodelación de la cromatina implica el gasto de ATP, porque abrir o destruir una estructura tan estable como el nucleosoma es un proceso endergónico. En cualquier caso, es necesaria la participación de complejos proteicos que se encargan de esa función de remodelación. Pero, ¿cómo saben esos complejos en qué lugar deben actuar? El tema sigue siendo objeto de activa investigación, pero está claro que en el reclutamiento de esos complejos influyen decisivamente los factores epigenéticos. Se trata fundamentalmente de modificaciones covalentes de las histonas o del DNA, que marcan distintivamente las diferentes regiones de la cromatina, y determinan si se trata de regiones inactivas, activas o potencialmente activas. De este modo, hoy en día no es posible estudiar la regulación génica en eucariotas si se prescinde del papel estructural y regulador de la cromatina.

Partícula núcleo desde el eje de la superhélice (A) y desde el eje pseudobinario (B).
Referencias:
  1. Arents, G., Burlingame, R. W., Wang, B.-C., Love, W. E. y Moudrianakis, E. N. (1991) The nucleosomal core histone octamer at 3.1 Å resolution: A tripartite protein assembly and a left-handed superhelix. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 88, 10148-10152.
  2. Bannister, A. J. y Kouzarides, T. (2011) Regulation of chromatin by histone modifications. Cell Res. 21, 381-395.
  3. Luger, K., Mäder, A. W., Richmond, R.K., Sargent, D. F. y Richmond, T. J. (1997) Crystal structure of the nucleosome core particle at 2.8 Å resolution. Nature 389, 251-260.
  4. Sacilotto, N., Espert, A., Castillo, J., Franco, L. y López-Rodas, G. (2011) Epigenetic transcriptional regulation of the growth arrest-specific gene 1 (Gas1) in hepatic cell proliferation at mononucleosomal resolution. PLoS One 6(8):e23318.
  5. Tur, G., Georgieva, E. I., Gagete, A., López-Rodas, G., Rodríguez, J. L. y Franco, L. (2010) Factor binding and chromatin modification in the promoter of murine Egr1 gene upon induction. Cell Mol. Life Sci. 67, 4065-4077.
  6. Winkler, D. D. y Luger, K. (2011) The histone chaperone FACT: structural insights and mechanisms for nucleosome reorganization. J. Biol. Chem. 286, 18369-18374.

Entrevista a Luis Franco

P.- ¿Cuándo surgió su vocación científica? ¿Le influyó alguien de forma especial?

R.- En mi familia no ha habido científicos; por parte de padre, abundaban los militares y por parte de madre, los funcionarios de Hacienda. Sin embargo, desde pequeño sentí atracción por las ciencias y mis padres supieron fomentarla adecuadamente. Me regalaron varios juguetes científicos. Me acuerdo especialmente de un equipo de «Cheminova», que me aficionó a la experimentación química, y de un microscopio, que aún conservo en mi despacho, con el que pasé muchas horas apasionantes, que despertaron mi capacidad de observación. En el antiguo 5º de bachillerato tuve en el colegio un excepcional profesor de Química, D. Patricio Astillero, cuyo modo atractivo de presentar la asignatura hizo que me inclinara por estudiar Ciencias Químicas. Mis padres también apoyaron esa decisión. Recuerdo que cuando tenía 15 años y acababa de decidirme por la Química, con ocasión de un viaje, y ante el asombro de otros familiares, mi padre me trajo como regalo un libro de análisis químico. Durante la carrera me gustaban la Química Analítica y la Química Orgánica, pero cuando descubrí la Bioquímica, que entonces era una asignatura optativa que explicaba el Prof. Ángel Martín Municio, me sentí tan atraído por ella que la balanza de mis ilusiones profesionales se comenzó a inclinar hacia las ciencias de la vida. 

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

R.- Cuando estaba a punto de terminar la carrera, sentimentalmente me inclinaba hacia la Bioquímica, como decía antes, pero no se me ocultaban las dificultades que entonces tenía el emprender una carrera científica, sobre todo en el seno de una familia de economía media en la que mi padre había fallecido recientemente. Entonces, el Prof. Enrique Costa Novella, que había sido profesor mío en Ingeniería Química, me dijo más o menos: «Si usted trabaja en una industria y es un buen químico, hará que esa industria marche bien; si se dedica a la carrera universitaria y es un buen químico, formará a muchos buenos científicos y la repercusión de su trabajo será mucho mayor». Sin duda, es uno de los mejores consejos que he recibido en mi vida, y me alegro infinitamente de haberlo seguido. Durante mis años dedicados a investigar y a transmitir la ciencia siempre he tenido presente que lo que cada día hago en el laboratorio y en el aula puede tener una dimensión más trascendente que lo que se palpa inmediatamente. Ahora siento un sano orgullo de haber tenido muchos alumnos que han llegado más lejos que yo. 

P.- ¿Cuáles son desde su punto de vista las características que definen a un buen investigador? ¿Qué consejo daría a los que ahora inician su carrera científica?

R.- Pienso que para ser un buen investigador no es necesario ser un superdotado. Eso es preciso para ser un genio, de esos que aparecen dos o tres veces en cada siglo, pero no para hacer una buena y aún excelente investigación, que puede desarrollarse sin más que tener una mente ordenada y lógica. Pero lo que sí hace falta es una dedicación sacrificada, laboriosidad, mantener siempre una actitud observadora, ser perseverante para no desanimarse ante los reveses que tarde o temprano surgen. Hay que estudiar mucho para conocer el estado actual de la ciencia y ser capaz de trabajar en equipo, porque, cada vez más, la investigación es multidisciplinar. A los que empiezan ahora les aconsejaría que fueran pertrechándose de todas esas capacidades y, sobre todo, que tengan paciencia y perseverancia y que sepan arriesgarse en todos los sentidos. Para correr hay que tener en muchos momentos los dos pies en el aire y el investigador muchas veces tiene que sacrificar su seguridad -tanto en el terreno estrictamente científico, como en el de su estabilidad profesional- en aras de conseguir la meta, a veces incierta, que se propone.

P.- ¿Podría describirnos brevemente en qué consiste su línea de investigación actual y cuál es su trascendencia?

R.- Como consecuencia de mi estancia postdoctoral en el grupo del Dr. Ersnt W. Johns en el Chester Beatty Research Institute de Londres comencé a trabajar con histonas. Desde entonces he mantenido una línea de investigación sobre la cromatina que, en los últimos años, se ha centrado en las relaciones entre Epigenética y enfermedad. En mi grupo de investigación nos interesamos por las modificaciones epigenéticas de las histonas y por los cambios estructurales de la cromatina asociados a la transcripción de genes de interés biomédico. Me parece que hace tiempo que ese tema ha dejado de ser una cuestión de exclusivo interés académico y que hoy en día no es posible avanzar en el conocimiento de la enfermedad si se hace caso omiso de los factores epigenéticos asociados. En algunos casos, como el del cáncer, esa relación es especialmente patente. 

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

R.- Temo pecar de demasiado clásico, pero me sigue pareciendo que el principal avance científico del siglo XX en las ciencias de la vida fue el descubrimiento de la estructura en doble hélice del DNA. En primer lugar, a mi modo de ver, representa una cima en la aplicación del axioma de que estructura y función son dos caras de una misma moneda. Por otro lado, si nos paramos a pensar en todo lo que se ha derivado de ese descubrimiento, es imposible no sentir vértigo. 

P.- ¿Cuál es el avance científico que más le ha impresionado?

R.- Una de las consecuencias derivadas del hecho trascendental que acabo de mencionar ha sido el desentrañamiento de las complejas redes de regulación de la transcripción, que, sobre todo, en eucariotas, forman un ensamblaje complicado, pero apasionante. Menciono esto, en primer lugar, porque al tratarse de algo directamente relacionado con mi trabajo de investigación me impresiona. Pero me gusta considerar que la regulación de la transcripción forma parte de algo mucho más general y complejo, que podríamos llamar la regulación biológica. Aquí se dan de la mano cuestiones de regulación enzimática con todas las de regulación genética, compartiendo en muchos casos mecanismos que encajan entre sí de una forma admirable. Digo admirable a propósito, porque estoy convencido de que el científico no puede perder la capacidad de asombro y de admiración ante lo que observa. Es más, estoy convencido de que sólo desde esa perspectiva de admiración mezclada con el asombro es posible avanzar algo en la ciencia.

Perfil de Luis Franco

Doctor en Ciencias Químicas por la Universidad Complutense en 1971, realizó una estancia postdoctoral en el Royal Cancer Hospital de Londres, en la que se inició en el estudio de la estructura y función de la cromatina. En la actualidad sigue trabajando en ese tema, con especial énfasis en el estudio de las modificaciones epigenéticas de la cromatina en diversos estados patológicos. Después de ocupar varios puestos docentes en la Universidad Complutense (Profesor Adjunto y Profesor Agregado) se trasladó en 1981 como Catedrático de Bioquímica y Biología Molecular a la Universidad de Valencia (Estudi General). Es Académico de número de la Real Academia de Ciencias de España y de la Real Academia de Medicina de la Comunidad Valenciana.