Resumen de Regulación de la expresión génica por hormonas esteroideas: memòria llegida per l'acadèmic electe Dr. Miguel Beato del Rosal a l'acte de la seva recepció el dia 25 de maig de 2017
- español
"Las hormonas esteroides son derivados del colesterol que coordinan numerosas funciones biológicas relacionadas con el desarrollo, el metabolismo y la adaptación al entorno. Las hormonas esteroides del ovario regulan los órganos sexuales y su función reproductiva. Ejercen estas funciones a través de su unión a receptores intracelulares que activan vías de señalización por quinasas y funcionan como factores de transcripción. Sobre la base de nuestra experiencia con la acción de la progesterona en células de cáncer de mama, en esta memoria se ilustra como hemos avanzado en los últimos años en nuestra comprensión de los mecanismos moleculares por los que el receptor de la progesterona regula la expresión génica global actuando sobre los mecanismos enzimáticos que modulan la accesibilidad a la información reguladora contenida en la secuencia del genoma. Partiendo del descubrimiento de los elementos de respuesta a hormona (HRE) en el promotor del viru s del tumor mamario de ratón (MMTV), y después en diferentes genes celulares, hemos llegado a identificar la importancia de la organización de los HRE en nucleosomas, y a describir de manera detallada los diferentes enzimas implicadas en el remodelado de la cromatina y en la regulación de la expresión de miles de genes. Este proceso incluye dos ciclos consecutivos de remodelación que llevan en primer lugar al desplazamiento de la histona H1 y luego el desplazamiento de los dímeros de las histonas H2A y H2B, permitiendo el acceso al ADN de otros factores de transcripción y en la formación del complejo de iniciación con la RNA polimerasa II y los coreguladors asociados. A nivel de la estructura 3D del genoma, descubriremos que los dominios topológicos de asociación, los TAD, se comportan como unidades de respuesta a hormona, que permiten la regulación coordinada de todos sus genes debido a la interacción de dominios de fijación de receptores hormonales con todos los genes de un TAD por la formación dinámica de lazadas de cromatina. El remodelado de la cromatina y la dinámica de las lazadas requieren grandes cantidades de ATP, que es utilizado por las enzimas que liberan la interacción de las histonas con el DNA. Dado que la regulación génica requiere la síntesis de poli (ADP-ribosa) y su degradación a ADP-ribosa, exploramos la posibilidad de que la ADP-ribosa pudiera ser una fuente nuclear de ATP. Utilizando sensores de ATP localizados en el núcleo celular descubrimos que en la respuesta a hormona se genera ATP al núcleo en una reacción que depende de la síntesis de poli (ADP-ribosa) y su degradación a ADP-ribosa. Mediante espectrometría de masas descubrimos la enzima nuclear NUDIX5, que interacciona con la ADP-ribosa y la hidroliza a AMP y ribosa-5-P. Como respuesta a la hormona, NUDIX5 se desfosforilan en el residuo T45 y es capaz de sintetizar ATP en presencia de pirofosfato. Una mutación del aminoácido T45 de NUDIX5 a aspartato bloquea la síntesis de ATP al núcleo e impide el remodelado de la cromatina y la regulación génica para progesterona o estrógenos. Así pues, hemos descubierto una nueva vía de síntesis nuclear de ATP que es esencial para el remodelado de la cromatina, y la respuesta proliferativa de las células de cáncer de mama a hormonas. En resumen, el estudio de la regulación génica por hormonas esteroides nos ha llevado a descubrir mecanismos básicos de la función nuclear que permiten nuevos enfoques terapéuticos para el tratamiento de los cánceres dependientes de hormona ".
- català
"Les hormones esteroides són derivats del colesterol que coordinen nombroses funcions biològiques relacionades amb el desenvolupament, el metabolisme i l’adaptació a l’entorn. Les hormones esteroides de l’ovari regulen els òrgans sexuals i la seva funció reproductiva. Exerceixen aquestes funcions a través de la seva unió a receptors intracel·lulars que activen vies de senyalització per quinases i funcionen com a factors de transcripció. Sobre la base de la nostra experiència amb l’acció de la progesterona en cèl·lules de càncer de mama, en aquesta memòria s’il·lustra com hem avançat en els últims anys en la nostra comprensió dels mecanismes moleculars pels quals el receptor de la progesterona regula l’expressió gènica global actuant sobre els mecanismes enzimàtics que modulen l’accessibilitat a la informació reguladora continguda en la seqüència del genoma. Partint del descobriment dels elements de resposta a hormona (HRE) en el promotor del virus del tumor mamari de ratolí (MMTV), i després en diferents gens cel·lulars, hem arribat a identificar la importància de l’organització dels HRE en nucleosomes, i a descriure de manera detallada els diferents enzims implicats en el remodelatge de la cromatina i en la regulació de l’expressió de milers de gens. Aquest procés inclou dos cicles consecutius de remodelatge que porten en primer lloc al desplaçament de la histona H1 i després al desplaçament dels dímers de les histones H2A i H2B, permetent l’accés al DNA d’altres factors de transcripció i a la formació del complex d’iniciació amb l’RNA polimerasa II i els coreguladors que hi estan associats. A nivell de l’estructura 3D del genoma, descobrirem que els dominis topològics d’associació, els TAD, es comporten com unitats de resposta a hormona, que permeten la regulació coordinada de tots els seus gens a causa de la interacció de dominis de fixació de receptors hormonals amb tots els gens d’un TAD per la formació dinàmica de llaçades de cromatina. El remodelatge de la cromatina i la dinàmica de les llaçades requereixen grans quantitats d’ATP, que és emprat pels enzims que alliberen la interacció de les histones amb el DNA. Atès que la regulació gènica requereix la síntesi de poli(ADP-ribosa) i la seva degradació a ADP-ribosa, vam explorar la possibilitat que l’ADP-ribosa pogués ser una font nuclear d’ATP. Emprant sensors d’ATP localitzats en el nucli cel·lular vam descobrir que en la resposta a hormona es genera ATP al nucli en una reacció que depèn de la síntesi de poli (ADP-ribosa) i la seva degradació a ADP-ribosa. Mitjançant espectrometria de masses vam descobrir l’enzim nuclear NUDIX5, que interacciona amb l’ADP-ribosa i la hidrolitza a AMP i ribosa-5-P. Com a resposta a l’hormona, NUDIX5 es desfosforila en el residu T45 i és capaç de sintetitzar ATP en presència de pirofosfat. Una mutació de l’aminoàcid T45 de NUDIX5 a aspartat bloqueja la síntesi d’ATP al nucli i impedeix el remodelatge de la cromatina i la regulació gènica per progesterona o estrògens. Així doncs, hem descobert una nova via de síntesi nuclear d’ATP que és essencial per el remodelatge de la cromatina, i la resposta proliferativa de les cèl·lules de càncer de mama a hormones. En resum, l’estudi de la regulació gènica per hormones esteroides ens ha portat a descobrir mecanismes bàsics de la funció nuclear que permeten nous enfocaments terapèutics per al tractament dels càncers dependents d’hormona".
- English
Steroid hormones are derivatives of cholesterol that coordinate numerous biological functions related to development, metabolism and adaptation to the environment. The ovarian steroid hormones regulate the sexual organs and their reproductive functions by virtue of their interaction with specific intracellular receptors, which activate signaling kinases and act as sequence-specific transcription factors. Based on our experience with the action of progesterone in breast cancer cells, I expose in this memoir our recent advances in understanding the molecular mechanisms by which the progesterone receptor regulates global gene expression by acting, on the enzymatic processes that modulate access to the regulatory information stored in the genome sequence.
Starting with the discovery of the hormone responsive elemnts (HREs) in the promoter of the Mouse Mammary Tumor Virus (MMTV) and in various cellular target genes, I move to the importance of the nucleosomal organization of the HREs and to the detailed description of the various enzymes implicated in chromatin remodeling and in the hormonal regulation of thousands of genes.
This process involves two consecutive remodeling cycles leading first to displacement of histone H1 and subsequently to the removal of histones H2A and H2B dimers, to enable access to DNA for additional transcription factors and ultimately to the formation of the initiation complex with RNA polymerase II and its associated co-regulators.
At the level of the 3D genome structure, we discovered that the topologically associating domains, the TADs, behave as units of hormone response enabling the coordinated regulation of all their genes by limiting the interaction of hormone receptor clusters within the TAD boundaries via formation of multiple chromatin loops. Chromation remodeling and the dynamics of chromatin loops require large amounts of ATP that is used by ATPases to weaken the interactions of histones with DNA. As gene regulation requires the synthesis of poly-(ADP-ribose) and its degradation to ADP-ribose, we explored the possibility that ADP-ribose could be a nuchear source of ATP.
Using ATP sensors localized to the cell nucleus we discovered that in response to hormone ATP is synthesized in the nucleus in a reaction that depends o PARP1 and on degradation of PAR to ADP-ribose. Mass spectroscopy revealed the nuclear enzyme NUDIX5 is dephosphorylated at T45 and can synthesis ATP from ADP-ribose in the nucleus and blocks chromatin remodeling and gene regulation by progesterone or estrogens. Thus, we have discovered a new pathway for the nuclear synthesis of ATP that is essential for the proliferative response of breast cancer cells to hormones.
In summary, the study of gene regulation by steroid hormones has uncovered basic mechanism of nuclear function that offers new therapeutic approaches for the management of hormone-dependent cancers.
