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Ubiquitinazione degli istoni |
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Molecola del mese di agosto 2026 Per mantenere l'equilibrio della regolazione genica, enzimi specializzati aggiungono e rimuovono marcature dai cromosomi. Introduzione  In
ogni nostra cellula vi sono circa due metri di DNA che compongono il genoma.
Per essere alloggiato all'interno del nucleo, il DNA viene avvolto attorno
a proteine chiamate istoni
(mdm 9-2023) che consentono un elevato grado di compattazione. L'unità organizzativa fondamentale del nostro genoma è il nucleosoma, costituito da DNA avvolto attorno a un nucleo proteico composto da quattro istoni distinti. Tuttavia, queste proteine non sono semplici rocchetti passivi: agli istoni vengono aggiunte diverse marcature chimiche che influenzano quali geni debbano essere attivi e quali debbano rimanere silenti. Tra le marcature più rilevanti vi è l'attacco covalente di una piccola proteina chiamata ubiquitina (mdm 12-2004). Marcare gli istoni con l'ubiquitina L'ubiquitina è nota soprattutto per il suo ruolo nel segnalare proteine danneggiate o non necessarie affinché vengano degradate dal proteasoma (mdm 8-2006). Tuttavia, quando una singola molecola di ubiquitina viene legata agli istoni, le conseguenze sono completamente diverse: invece di destinare l'istone alla distruzione, la marcatura di monoubiquitinazione agisce come un segnale molecolare che cambia il modo in cui il cromosoma viene letto. Il legame dell'ubiquitina a un istone (o a qualsiasi altra proteina) richiede una catena di tre enzimi che lavorano in sequenza: un enzima attivante E1, un enzima coniugante E2 e una ubiquitina ligasi E3, che mette l'enzima E2 carico di ubiquitina in contatto con la lisina corretta sulla proteina bersaglio. Si stima che nel genoma umano esistano oltre 600 ligasi E3, altamente specializzate per diverse classi di substrati proteici. Sebbene esistano molte lisine sugli istoni che possono essere monoubiquitinate, due siti si sono rivelati particolarmente importanti. La monoubiquitinazione dell'istone H2A sulla lisina 119 (H2A K119) è un segno distintivo dei geni silenziati. Questa marcatura è creata dal complesso repressivo Polycomb 1 (PRC1), una ligasi E3 che agisce da regolatore chiave dei geni dello sviluppo. Quando PRC1 marca H2A K119, contribuisce a mantenere gli "interruttori" dello sviluppo in posizione "off", assicurando, ad esempio, che le cellule epatiche non inizino accidentalmente a produrre proteine necessarie solo ai neuroni. Il modulo di ubiquitinazione di PRC1 (PDB 4r8p, mostrato qui sopra sulla sinstra) presenta Ring1B e Bmi1 (in giallo), la coppia di domini catalitici RING che agiscono insieme come ubiquitina ligasi E3, ancorati alla superficie del nucleosoma con l'enzima E2 UbcH5c (in arancione) posizionato direttamente sopra la lisina H2A K119. Qui sopra a sinistra in basso si vede il nucleosoma H2A con la ubiquitina rossa legata alla lisina 119 (K119) (PDB 8g6q). Un secondo importante sito di monoubiquitinazione è l'istone H2B sulla lisina 120 (H2B K120). Questa marcatura ha l'effetto opposto: si trova sui geni trascritti attivamente e aiuta l'apparato di trascrizione ad accedere al DNA. La ligasi E3 che realizza questa marcatura attivante è chiamata Bre1 nel lievito e RNF20-RNF40 nell'uomo (mostrata nella figura qui sopra sulla destra, PDB 8ieg, in giallo). L'enzima E2, chiamato Rad6, è mostrato in arancione. Qui sopra a destra in basso si vede il nucleosoma H2B con la ubiquitina rossa legata alla lisina 120 (K120) (PDB 8v25) Analogamente a PRC1, i domini RING di Bre1 garantiscono un posizionamento preciso adiacente al sito H2B K120. Sia PRC1 che Bre1-Rad6 interagiscono con una "macchia acida" (acidic patch) a carica negativa sulla superficie H2A/H2B del nucleosoma, una sorta di "piattaforma di atterraggio" utilizzata da molti altri regolatori della cromatina. Rimuovere i segnali di ubiquitina con le DUB  Rimuovere
le marcature di ubiquitina è importante tanto quanto metterle,
affinché la cellula possa attivare o spegnere i geni a secondo
delle necessità, ad esempio durante le diverse fasi dello sviluppo.I complessi proteici responsabili della rimozione dell'ubiquitina sono noti come deubiquitinasi o DUB. Le DUB istoniche sono proteasi che devono agire con una selettività straordinaria, scindendo solo il legame isopeptidico (legame ammidico in catena laterale) che unisce una singola molecola di ubiquitina a un residuo specifico di lisina su un istone specifico. K120 Il modulo DUB di SAGA rimuove la marcatura di trascrizione attiva su H2B K120. SAGA è un grande complesso co-attivatore coinvolto nell'attivazione di centinaia di geni. Al suo interno è racchiuso un subcomplesso DUB a quattro proteine (mostrato qui sopra sulla destra, PDB 4zux) che rimuove con precisione l'ubiquitina da H2B. Il riconoscimento del substrato nucleosomico è mediato dall'interazione di un motivo a dita di zinco (mdm 3-2007) della DUB di SAGA con la macchia acida del nucleosoma. Questa interazione posiziona la subunità catalitica direttamente sopra l'ubiquitina legata a H2B K120. K119 La rimozione dell'ubiquitina da H2A K119 coinvolge diversi complessi DUB. Uno di questi, chiamato PR-DUB (PDB 8h1t mostrato qui sopra sulla sinistra) è composto dall'enzima catalitico BAP1 e da un partner regolatorio della famiglia ASXL. PR-DUB rimuove l'ubiquitina da H2A K119 quando non è più necessaria, prevenendo un silenziamento genico inappropriato. La struttura di PR-DUB ha rivelato che ASXL1 allontana la coda di H2A dalla superficie del nucleosoma per esporre l'ubiquitina alla scissione, spiegando come PR-DUB riesca a staccare solo l'ubiquitina legata a H2A K119 ignorando le altre marcature sullo stesso nucleosoma. È interessante notare che sia BAP1 che ASXL1 sono tra le proteine più frequentemente mutate nei tumori umani, rendendo questo complesso un importante oggetto di ricerca medica. Esplorando la struttura Nelle due figure qui sotto sono mostrati i quattro complessi di ubiquitinazione e deubiquitinazione degli istoni mentre interagiscono col nucleosoma. Sulla sinistra di ogni figura è mostrato il complesso H2A K119, sulla destra il complesso H2B K120. I complessi sono mostrati da due divese angolazioni per meglio comprendere la loro strittura 3D. Per una comprensione migliore potete osservare questi complessi con Chimera, un programma gratuito che permette di riprodurre sullo schermo la struttura 3D delle proteine. Il link alle strutture du questi complessi è riportato sopra. 
Spunti per ulteriori esplorazioni Scopri di più sull'ubiquitina (mdm 12-2004) e il suo ruolo nella degradazione proteica tramite il proteasoma (mdm 8-2006). Un'altra marcatura comune sulle code istoniche è rappresentata dai gruppi acetilici, che influenzano quanto strettamente il DNA sia avvolto attorno agli istoni. Scopri gli enzimi, chiamati istoni deacetilasi (mdm 9-2023), che rimuovono queste etichette. Un tempo si pensava che gli istoni fossero esclusivi degli eucarioti, ma da allora sono stati rinvenuti anche in archea e batteri. Approfondisci la conoscenza degli istoni nell'evoluzione (mdm 2-2026).  Bibliografiapdb_4r8p: McGinty RK, Henrici RC, Tan S. Crystal structure of the PRC1 ubiquitylation module bound to the nucleosome. Nature. 2014 Oct 30;514(7524):591-6. pdb_8ieg: Deng Z, Ai H, Sun M, Tong Z, Du Y, Qu Q, Zhang L, Xu Z, Tao S, Shi Q, Li JB, Pan M, Liu L. Mechanistic insights into nucleosomal H2B monoubiquitylation mediated by yeast Bre1-Rad6 and its human homolog RNF20/RNF40-hRAD6A. Mol Cell. 2023 Sep 7;83(17):3080-3094.e14. pdb_8t3y: Zhao F, Hicks CW, Wolberger C. Mechanism of histone H2B monoubiquitination by Bre1. Nat Struct Mol Biol. 2023 Nov;30(11):1623-1627 pdb_8g6q, pdb_8v25: Hicks CW, Rahman S, Gloor SL, Fields JK, Husby NL, Vaidya A, Maier KE, Morgan M, Keogh MC, Wolberger C. Ubiquitinated histone H2B as gatekeeper of the nucleosome acidic patch. Nucleic Acids Res. 2024 Sep 9;52(16):9978-9995. doi: 10.1093/nar/gkae698. Erratum in: Nucleic Acids Res. 2024 Oct 14;52(18):11408. pdb_8h1t: Ge W, Yu C, Li J, Yu Z, Li X, Zhang Y, Liu CP, Li Y, Tian C, Zhang X, Li G, Zhu B, Xu RM. Basis of the H2AK119 specificity of the Polycomb repressive deubiquitinase. Nature. 2023 Apr;616(7955):176-182. pdb_8svf: Thomas JF, Valencia-Sánchez MI, Tamburri S, Gloor SL, Rustichelli S, Godínez-López V, De Ioannes P, Lee R, Abini-Agbomson S, Gretarsson K, Burg JM, Hickman AR, Sun L, Gopinath S, Taylor HF, Sun ZW, Ezell RJ, Vaidya A, Meiners MJ, Cheek MA, Rice WJ, Svetlov V, Nudler E, Lu C, Keogh MC, Pasini D, Armache KJ. Structural basis of histone H2A lysine 119 deubiquitination by Polycomb repressive deubiquitinase BAP1/ASXL1. Sci Adv. 2023 Aug 9;9(32):eadg9832. pdb_4zux: Morgan MT, Haj-Yahya M, Ringel AE, Bandi P, Brik A, Wolberger C. Structural basis for histone H2B deubiquitination by the SAGA DUB module. Science. 2016 Feb 12;351(6274):725-8. |
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