El vaivén epigenético

Laura Rubio Unguetti, Laura Ruiz López-Huerta, Carmen San Martín Martínez. 3º Biología Sanitaria, UAH.

«El conocimiento de la secuencia completa de DNA no es suficiente para reconstruir el organismo, de la misma forma que la lista de palabras utilizadas por Shakespeare en una de sus obras, no es suficiente para reconstruirla »

¿QUÉ ES LA EPIGENÉTICA?

El término epigenética fue introducido por Conrad Waddintong en 1942, quien lo definió como “las interacciones causales entre los genes y sus productos que permiten la expresión fenotípica”

Esto se traduce en una serie de cambios heredables en el DNA e histonas que modifican la estructura y condensación de la cromatina, afectando la expresión génica y el fenotipo sin alterar  la secuencia de nucleótidos.

Se puede ver una imagen a la que Waddington denominó paisaje epigenético. Con esta intentaba explicar como una bola que se encuentra en un lugar inicial puede ir a parar a distintos lugares del paisaje dependiendo del empujón que se le diese; el viento que soplara o las rugosidades del camino. Esta puede acabar en muchos sitios finales, dependiendo no solo de sus características iniciales, sino también de las condiciones que se encuentra. Esta metáfora fue usada para explicar la influencia del ambiente en las diferentes vías por las cuales se desplazan las células del organismo en su proceso de diferenciación. Esto fue denominado epigenética.

Estos mecanismos epigenéticos desempeñan un importante papel en el desarrollo de muchas enfermedades, siendo también usados por microorganismos patógenos para adoptar resistencias frente a ciertos medicamentos. 

Su conocimiento permite controlarlas a través de cambios en los hábitos de vida, dieta o agentes terapéuticos, incluso factores psicosociales podrían potencialmente modificar nuestro epigenoma. Por ejemplo, un abuelo que fue sobrealimentado antes de la pubertad, puede aumentar cuatro veces el riesgo de que sus nietos padezcan diabetes mellitus tipo II.

MODIFICACIONES MOLECULARES

Las principales modificaciones epigenéticas que suponen un cambio en la expresión de los genes son la metilación del DNA, las modificaciones de histonas y el RNA no codificante. Como consecuencia existen células idénticas que expresan proteínas genética y funcionalmente diferentes. Todos estos mecanismos afectan a la remodelación de la cromatina y por tanto a la expresión y silenciamiento génico.

Remodelación de la cromatina. 

La cromatina se encuentra condensada en el núcleo celular y sufre procesos de condensación y descondensación. Los genes sólo pueden expresarse cuando esta tenga una conformación abierta y pueda exponerse a la maquinaria transcripcional y traduccional. 

  1. Metilación del DNA. 

Esta es la primera marca epigenética que se conoció y está relacionada con el silenciamiento génico.

En mamíferos, ocurre predominantemente en las bases nitrogenadas de citosina, por modificación covalente del C5 del anillo de pirimidina, formando 5-metilcitosina. Esto ocurre en mayor grado en dinucleótidos CpG en las regiones ICR; estos tienen una gran cantidad de citosinas y guaninas enlazadas por un fosfato,se encuentran en mayor medida en la región promotora de los genes formando las llamadas islas CpG. De hecho, se ha estimado que la 5-metilcitosina representa el 70-80% del total de dinucleótidos CpG en el genoma. Pero además, pueden estar metiladas secuencias no CpG, como CpNpG o no simétricas como CpA y CpT (que ocurre con mayor frecuencia en la metilación de novo). 

Imagen propia creada con BioRender.

¿Cómo ocurre?

El grupo metilo se incorpora a partir de S-adenosil-L-metionina (SAMe) en una reacción catalizada por DNA metiltransferasas (DNMT).

Imagen propia creada con BioRender.
  1. En la replicación, se genera una estructura simétrica CpG en sentido antiparalelo. Esta se hemimetila directamente, lo que es reconocido por la DNA metiltransferasa DNMT1 que permite la metilación completa. Se encarga de mantener los patrones de forma estable.
  2. En el caso de una metilación de novo, actúan DNMT3a y DNMT3b. 
  • Se ha encontrado una isoforma llamada DNMT3L que carece de actividad enzimática e interactúa con los dos tipos de DNMT3 modulando la metilación de novo de genes improntados en el gameto femenino.

Estos patrones son estables y heredables, pero existen al menos dos períodos durante el desarrollo embrionario en los que el patrón de metilación global es borrado y re-establecido; uno durante la generación de las células germinales y otro en el período de pre-implantación embrionario. En ambos casos, actúan DNMT3a y DNMT3b.


Imagen propia creada con BioRender.
(A) Una vez que las células germinales primordiales entran en la gónada se produce la desmetilación. La remetilación ocurre de manera sexo-específica: en la línea germinal masculina (línea morada), ocurre antes del estadío proespermatogonia, mientras que la femenina (línea rosa pálido) lo completa durante el crecimiento del ovocito (tras el nacimiento).  
(B) El genoma de las células germinales masculinas y femeninas está altamente metilado. Poco después de la fertilización, el paterno se desmetila activamente antes de la replicación del DNA; sin embargo, el genoma materno lo hace de manera pasiva después de varias divisiones. Algunos genes, mantienen su estado de metilación (línea discontinua). 

Dos ejemplos importantes de este tipo de modificación epigenética son la impronta genómica y el silenciamiento de uno de los cromosomas X en hembras de mamíferos.

2.  Modificaciones de histonas. (metilación y acetilación de lisinas)

Las histonas son un tipo de proteínas entorno a las cuales se organiza el DNA. Esta función estructural es muy importante para la regulación génica, porque si el DNA está compactado, no se puede leer ni transcribir.

El núcleo básico o nucleosoma está constituido por un octámero de histonas; 2 H3,2 H4, 2 H2A y 2 H2B, y un segmento de 147 pares de bases. Además, existe una histona H1 linker que facilita el empaquetamiento de la cromatina. 

Las histonas tienen núcleos hidrofóbicos condensados que interactúan entre sí para formar el nucleosoma, también tienen colas aminoterminales y muchas cargas positivas (presencia de lisinas y argininas) que pueden verse alteradas por cambios en los aminoácidos de la estructura primaria, lo que hace que ciertas zonas o dominios aumenten su susceptibilidad a las siguientes modificaciones:

  • Acetilación. Regulación pre-transcripcional en presencia de acetil- CoA. 

La acetilación regular de las colas de la histona se produce por la enzima acetiltransferasa de la histona (HAT). Esta es una reacción reversible que permite la acción contraria por la enzima histona desacetilasa (HDAC).

La acetilación es reconocida por un grupo de proteínas que poseen dos bromodominios capaces de detectar lisinas acetiladas, las cuales dejan de tener carga positiva interaccionando peor con el DNA. Esto permite que la cromatina adopte una conformación abierta y se produzca la transcripción. 

Un desequilibrio en la acetilación de las histonas se ha relacionado con la formación de tumores y la progresión del cáncer.

Imagen propia creada con BioRender.
  • Metilación. Consiste en la transferencia de uno a tres grupos metílicos de la S-adenosil-L-metionina a los residuos de la lisina (más frecuente) o de la arginina de las proteínas de la histona. Esto es catalizado por la enzima histona metil transferasa (HMT) que forma S-adenosilhomocisteína. El caso contrario ocurre por la histona desmetilasa que usa un mecanismo amino oxidasa dependiente de FAD o mecanismo dioxigenasa dependiente de Fe2+.

La metilación en el DNA permite la unión de proteínas con dominio MBD que reclutan a la HMT y al complejo desacetilasa (HDAC). Las histonas metiladas son reconocidas por proteínas con cromodominios, dominios PHD o dominios de la familia real (Tudor, PWWP, MBT).

El efecto producido depende de la posición de la lisina que se metile y el número de grupos metilo. La metilación de la lisina en H3 y H4 se implica en la activación y la represión de la transcripción, mientras que la metilación de la arginina se implica solamente en la activación de la transcripción. 

Imagen propia creada con BioRender.

3.  ARN no codificante (ncRNAs). 

  • Aunque el 75% del genoma es transcrito, sólo el 3% codifica proteínas, y el resto conforma estos ncRNAs, entre los que encontramos: RNA pequeños interferentes (siRNAs); RNAs no codificantes grandes (lncRNAs)  y microRNAs (miRNAs)

Estos últimos son los más relevantes, consisten en secuencias de RNA monocatenario muy pequeñas, con una secuencia complementaria a un RNA mensajero. Estos regulan la expresión de genes codificantes de proteínas diana, mediante unión complementaria imperfecta a este RNAm citado produciendo la represión de la traducción y/o degradación de este.

Como se ha explicado anteriormente, algunos cambios epigenéticos surgen en un momento particular del desarrollo embriofetal, por lo que permanecen durante toda la vida del organismo y son heredables (ejemplo 1), mientras que, en otros casos, estas marcas pueden aparecer y cambiar a lo largo de la vida postnatal por la acción de factores intrínsecos (actividad del agua, pH, redox, etc) o extrínsecos (condiciones ambientales). Esto se denomina deriva epigenética. (ejemplo 2)

Imagen propia creada con BioRender.

Ejemplo 1: Gen Agouti

Los ratones agouti son genéticamente idénticos, pero se diferencian en la expresión del gen agouti (cromosoma 2), este es un gen con efecto pleiotrópico, es decir, puede provocar varios efectos fenotípicos no relacionados. Esto ocurre como consecuencia de diferentes grados de metilación en su región promotora. Si esta no se encuentra metilada, se expresa el gen originando alteraciones en la pigmentación del pelaje, obesidad y predisposición al cáncer, obteniendo un ratón obeso y amarillo. Si el promotor está metilado, agouti no se expresa y se obtiene un ratón sano y marrón. Se ha comprobado que la dieta durante la gestación es fundamental para establecer las marcas epigenéticas en la descendencia.

El gen agouti se expresa en la piel, aunque una sobreexpresión conlleva una expresión ectópica, es decir, el gen se expresa en tejidos donde no se expresa normalmente produciendo el síndrome de obesidad amarilla.

La imagen tiene un atributo ALT vacío; su nombre de archivo es BMXJUr3Eg4rkzKngI_MZ47VmuGR4ngnYJxug9J30Y8e4c56YUDsbIIpYRHw1xTvGm4Z1ezEjzbjYIZf0gS-z1Z-DEpNyhFA46boRtqLO9bDZg4vouvoPirJ0CxgXJarTp7Ih7EaX
Agouti actúa como un factor paracrino inhibiendo la liberación de melanocortina. Este expresa una proteína de señalización agouti (ASIP) que es un antagonista competitivo de la hormona estimulante de melanocitos alfa (α-MSH), de forma que bloquea al receptor de melanocortina 1 (MC1R). 
La melanocortina actuar sobre:
Los melanocitos foliculares para aumentar la producción de eumelanina.
El cerebro para inhibir el hambre e indicar al ratón que deje de comer. 
(A) Gen inactivo (promotor metilado): melanocito activado por α-MSH, producción de eumelanina (pigmento responsable del pelaje castaño) y buena transmisión de melanocortina en las células cerebrales. 
(B) Gen activo (promotor no metilado): melanocito activado por ASIP, producción de feomelanina (pigmento responsable del pelaje amarillo) y desequilibrio del apetito que deriva en roedores con obesidad moderada.

Ejemplo 2: Floración de Arabidopsis

Arabidopsis thaliana fue la primera planta cuyo genoma se secuenció por completo. Arabidopsis tiene un ciclo de floración anual y es relativamente simple a nivel genético, pero aun así es portadora de toda la información biológica y genética vital que requiere una planta para vivir. 

Su floración dependerá del gen FLC. Cuando este se encuentra activo, se expresa el represor y no se produce la floración.

Durante el invierno, las bajas temperaturas inducen la transcripción de un grupo de genes conocidos como genes COOLAIR que se traducen en un complejo represivo de FLC (complejo Polycomb). Este está formado por una serie de proteínas y metilasas de histonas que participan de manera conjunta para modificar y reorganizar la cromatina, reprimiendo FLC. El PRC2 media la trimetilación, provocando una marca de histona represiva que impide la expresión. Cuando llega la primavera, la cromatina está completamente condensada, no se expresa el gen represor y se permite la floración de Arabidopsis.

Imagen propia creada por BioRender.

IMPRONTA GENÓMICA

La impronta genómica o sellado genético es una modificación epigenética que describe una diferencia en el comportamiento de los alelos de un gen, heredados de cada progenitor.  

Se han descrito alrededor de 100 genes sellados, los cuales solo pueden expresar una de las dos copias, es decir, se encuentran en estado hemicigótico. Estos genes juegan un papel muy importante en el desarrollo embrionario y parecería estar relacionado en la regulación de la transferencia de nutrientes de la madre al feto y al recién nacido. Ha quedado demostrado que si se producen alteraciones en estos genes pueden darse algunos trastornos, como por ejemplo el Síndrome de Prader Willi (SPW), el Síndrome de Angelman (SA), epilepsia, trastornos de espectro autista… etc.

Los genes regulados por impronta genómica suelen encontrarse agrupados en dominios cromosómicos formando un cluster de genes. La expresión monoalélica de estos corresponde a patrones de metilación de sitios de acción en cis cercanos a uno o varios genes blanco (genes a improntar). Estos sitios se denominan regiones controladoras de la impronta (ICRs) o regiones de metilación diferencial (DMRs) y son ricos en islas CpG. Las DMR pueden tener diversas propiedades, algunas son metiladas en el alelo silenciado mientras otras son metiladas en la copia activa.

Los mecanismos principales de regulación de impronta son los siguientes: 

Metilación directa del alelo silenciado. 

En una de las copias el promotor y la región ICR se encuentran metilados, por lo que no se podrá unir la RNA Pol para su transcripción. En el otro alelo, la región ICR no está metilada, por lo que el gen se expresará. 

Imagen propia creado con Biorender

Metilación del alelo activo a través de transcritos antisentido

En este caso, la región ICR regula la expresión de un RNA antisentido, que favorece el reclutamiento de proteínas para la metilación del promotor del gen. En una de las copias pasará esto, por lo que el gen no se expresará, mientras que en la otra copia la región ICR se encuentra metilada, por lo que no producirá el transcrito y no se metilará el promotor, expresándose con normalidad. 

Imagen propia creada con BioRender.

El Sistema Igf2/H19.

 Supone uno de los mejores ejemplos de regulación por impronta.

Igf2 y H19 son genes de expresión monoalélica que se encuentran muy próximos (separados por 90 kb) en el segmento 15 del brazo corto del cromosoma 11 (11p15). Igf2 codifica para un factor de crecimiento fetal, mientras que H19 lo hace para un ARN no codificante.

Estos están regulados por una misma ICR que se encuentra aguas arriba del promotor de H19 (muy próximo) y coincide con una secuencia CCCTC, que reconoce a una proteína CTCF; proteína con 11 dominios de dedos de zinc y una función aisladora. Aguas abajo de Igf2/H19 encontramos un intensificador/enhancer (E).

En el cromosoma materno, el sitio de unión a CTCF está sin metilar, permitiendo la unión de CTCF y promoviendo la activación del gen H19 y el silenciamiento del gen Igf2, debido a que el carácter aislante de CTCF  impide que el intensificador actúe sobre Igf2, pero no sobre H19. Sin embargo, en el cromosoma paterno, el sitio ICR está metilado (DMR no metilado entre el promotor y el enhancer, impidiendo la unión de CTCF y provocando cambios en el promotor (que se metila), provocando la activación de Igf2  y silenciamiento de H19

De esta manera, los genomas materno y paterno complementan la expresión de sus genes. 

Imagen propia creada con BioRender.

SÍNDROME DE PRADER WILLI Y ANGELMAN 

Son dos trastornos en el neurodesarrollo clínicamente diferentes pero asociados a la misma sección del cromosoma 15; 15q.11.13. Esta región contiene un cluster de por lo menos 10 genes regulados a través de impronta genómica.

Imagen obtenida de
https://www.pediatriaintegral.es/publicacion-2019-07/enfermedades-por-alteracion-de-la-impronta-genetica-sindrome-de-prader-willi-y-de-angelman/
Región cromosómica 15q11.2-q13 y expresión diferencial de los genes de esta región según el origen parental.
 A. Genes expresados en el cromosoma paterno.
B. Genes expresados en el cromosoma materno.
 Los recuadros en azul, indican genes de expresión paterna; los recuadros en rojo, indican genes de expresión materna; y los recuadros en gris, indican genes que se expresan en ambos alelos; son genes NO improntados.
 Las regiones controladoras de la impronta (ICR) se encuentran en posición central y están representadas como cuadros enmarcados en rojo para AS-SRO (centro de impronta del síndrome de Angelman) y en azul para el PWS-SRO (centro de impronta del síndrome de Prader Willi). Los círculos en negro indican la metilación del ADN en estas zonas.

En condiciones normales, los genes improntados de este cromosoma se agrupan en dos regiones diferenciadas.

  • La región SPW  alberga algunos genes como MKRN3, MAGEL2, NDN, C15orf2 y SNURF-SNRPN, este último contiene a su vez un cluster de genes para RNA nucleolares pequeños y algunos transcritos antisentido. Todos estos genes solamente se expresan en el alelo paterno, y sus promotores y la región PWS-SRO se encuentran desmetiladas en el tejido cerebral, permitiendo su expresión. El centro de control de impronta de la región SPW en el cromosoma materno se encuentra metilado, por lo que estos genes están silenciados. (Véase apartado anterior; “metilación directa de alelo silenciado”.
  • La región SA, sin embargo contiene los genes de expresión materna UBE3A y ATP10A. Estos se encuentran activos en el alelo materno e inactivos en el paterno. Al contrario que lo que pasa en la región SPW, el centro de control de impronta AS-SRO del alelo materno se encuentra metilado, mientras que el del alelo paterno está desmetilado. Esto se debe a que el control del sellado se lleva a cabo mediante la síntesis de un transcrito de RNA antisentido (Véase apartado anterior; Metilación del alelo activo a través de transcritos antisentido”.)

Las manifestaciones clínicas del SPW y SA aparecen cuando se produce una falta de información genética contenida en esta región cromosómica que deriva del alelo paterno y materno, respectivamente. 

En estas tablas se explica detalladamente la etiología y el cuadro clínico de cada uno de estos trastornos. 

UBE3A (solo está improntado en ciertas regiones del cerebro) codifica una ubiquitina ligasa en el tejido nervioso, que afecta a la degradación de proteínas.

Además, la duplicación de UBE3A desemboca en un trastorno neurodegenerativo que cursa con epilepsia.

Para finalizar, la reversibilidad de cambios  deletéreos del epigenoma y, el uso de fármacos capaces de revertir cambios epigenéticos deletéreos, ha generado el concepto de la “terapia epigenética”. La combinación de fármacos de efecto epigenético con terapias estándar engloba posiblemente capacidad para el diseño de nuevas estrategias terapéuticas contra determinadas formas de cáncer y potencialmente contra otras enfermedades. 

BIBLIOGRAFÍA

Reig, G. and Concha, M. L. (2012) ‘Impronta Genómica y Desarrollo Embrionario’, International Journal of Morphology, 30(4), pp. 1453–1457. doi: 10.4067/S0717-95022012000400029. 

G., R., A., P. A. and P., S. P. (2012) ‘Epigenética: definición, bases moleculares e implicaciones en la salud y en la evolución humana’, Revista Ciencias de la Salud, 10, pp. 59–71. Available at: https://www.redalyc.org/articulo.oa?id=56222455006

Almon, R. (2009) ‘Epigenética y medicina’, Revista Salud Pública y Nutrición, 10(4), pp. 10–12.

Jes, A. et al. (2020) ‘Introducción’, 24(Ccm). 

Moore, D. S. (2017) ‘Behavioral epigenetics’, Wiley Interdisciplinary Reviews: Systems Biology and Medicine, 9(1), p. e1333. doi: 10.1002/wsbm.1333. 

del Olmo, I. et al. (2016) ‘Arabidopsis DNA polymerase ϵ recruits components of Polycomb repressor complex to mediate epigenetic gene silencing’, Nucleic Acids Research, 44(12), pp. 5597–5614. doi: 10.1093/nar/gkw156.

Arroyo-Jousse, V., García-Díaz, D. F. and Pérez-Bravo, F. (2015) ‘La metilación global del ADN y los niveles de homocisteína en plasma se encuentran disminuidos en pacientes con diabetes mellitus tipo 1’, Revista médica de Chile, 143(5), pp. 562–568. doi: 10.4067/S0034-98872015000500002. 

Vasco, G. C. et al. (2008) ‘Influencia de la impronta genómica masculina en la reproducción’, Actas Urológicas Españolas, 32(10), pp. 1004–1012. doi: 10.1016/S0210-4806(08)73979-2.

Schmitz, R. J., Lewis, Z. A. and Goll, M. G. (2019) ‘DNA Methylation: Shared and Divergent Features across Eukaryotes’, Trends in Genetics, 35(11), pp. 818–827. doi: 10.1016/j.tig.2019.07.007.

Kalish, J. M., Jiang, C. and Bartolomei, M. S. (2014) ‘Epigenetics and imprinting in human disease’, The International Journal of Developmental Biology, 58(2-3–4), pp. 291–298. doi: 10.1387/ijdb.140077mb.

Hagerman RJ. Angelman Syndrome and Prader-Willi Syndrome. En: Hagerman RJ. Neurodevelopmental Disorders. Diagnosis and Treatment. Oxford University Press; 1999. p. 243-90.

Rodríguez-Dorantes M, Téllez-Ascencio N, Cerbón MA, López M, Cervantes A. “Metilación del ADN: un fenómeno epigenético de importancia médica” [DNA methylation: an epigenetic process of medical importance]. Rev Invest Clin. 2004 Jan-Feb;56(1):56-71. Spanish. PMID: 15144044.

D054366. D12.644.276.049, D12.776.467.049, D23.529.049. Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU., 8600 Rockville Pike, Bethesda, MD 20894.

Cristina Camprubí.Grupo de Investigación Impronta genómica y Cáncer · Programa de Epigenética y Biología del Cáncer (PEBC)Institut d’Investigació Biomèdica de Bellvitge (IDIBELL). 15 de junio de 2010..”IMPRONTA GENÓMICA Y REPRODUCCIÓN ASISTIDA.” https://revista.asebir.com/impronta-genomica-y-reproduccion-asistida/ 

Rodríguez-Dorantes M, Téllez-Ascencio N, Cerbón MA, López M, Cervantes A. “Metilación del ADN: un fenómeno epigenético de importancia médica” [DNA methylation: an epigenetic process of medical importance]. Rev Invest Clin. 2004 Jan-Feb;56(1):56-71. Spanish. PMID: 15144044.

E.Gabau, C. Aguilera, N. Baena, A. Ruiz, M. Guitart. Servicio de pediatría. Hospital Universitari Parc Taulí. Institut d´Investigació i Innovació Parc Taulí I3PT, Universitat Autònoma de Barcelona. “Enfermedades por alteración de la impronta genética. Síndrome de Prader Willi y de Angelman” https://www.pediatriaintegral.es/publicacion-2019-07/enfermedades-por-alteracion-de-la-impronta-genetica-sindrome-de-prader-willi-y-de-angelman/

Susha Cheriyedath, M.Sc. Reviewed by Sally Robertson, B.Sc. (Feb 26, 2019). “Histone Modification”https://www.news-medical.net/life-sciences/Histone-Modification-(Spanish).aspx 

+1
Compartir

Deja una respuesta

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *

once − 4 =