En biología , la epigenética es el estudio de rasgos hereditarios, o un cambio estable de la función celular, que ocurre sin cambios en la secuencia del ADN . [1] El prefijo griego epi- ( ἐπι- "sobre, fuera de, alrededor") en epigenética implica características que están "por encima" o "además de" el mecanismo genético de herencia tradicional (basado en secuencias de ADN). [2] La epigenética generalmente implica un cambio que no se borra con la división celular y afecta la regulación de la expresión genética . [3] Tales efectos sobre los rasgos fenotípicos celulares y fisiológicos pueden deberse a factores ambientales o ser parte del desarrollo normal. Pueden provocar cáncer. [4]
El término también se refiere al mecanismo de los cambios: alteraciones funcionalmente relevantes del genoma que no implican mutación de la secuencia de nucleótidos . Ejemplos de mecanismos que producen tales cambios son la metilación del ADN y la modificación de histonas , cada una de las cuales altera la forma en que se expresan los genes sin alterar la secuencia de ADN subyacente . [5] Además, se ha demostrado que las secuencias de ARN no codificantes desempeñan un papel clave en la regulación de la expresión genética. [6] La expresión génica se puede controlar mediante la acción de proteínas represoras que se unen a regiones silenciadoras del ADN. Estos cambios epigenéticos pueden durar a través de divisiones celulares durante toda la vida de la célula y también pueden durar varias generaciones, aunque no implican cambios en la secuencia de ADN subyacente del organismo; [7] en cambio, los factores no genéticos hacen que los genes del organismo se comporten (o "se expresen") de manera diferente. [8]
Un ejemplo de cambio epigenético en la biología eucariota es el proceso de diferenciación celular . Durante la morfogénesis , las células madre totipotentes se convierten en las diversas líneas celulares pluripotentes del embrión , que a su vez se convierten en células completamente diferenciadas. En otras palabras, a medida que un único óvulo fertilizado (el cigoto ) continúa dividiéndose , las células hijas resultantes se transforman en todos los diferentes tipos de células de un organismo, incluidas neuronas , células musculares , epitelio , endotelio de los vasos sanguíneos , etc., mediante activando algunos genes e inhibiendo la expresión de otros. [9]
El término epigénesis tiene un significado genérico de "crecimiento adicional" que se utiliza en inglés desde el siglo XVII. [10] En las publicaciones científicas, el término epigenética comenzó a aparecer en la década de 1930 (ver figura a la derecha). Sin embargo, su significado contemporáneo surgió recién en la década de 1990. [11]
En una reunión de Cold Spring Harbor en 2008 se formuló una definición del concepto de rasgo epigenético como un "fenotipo establemente hereditario resultante de cambios en un cromosoma sin alteraciones en la secuencia del ADN" , [12] aunque existen definiciones alternativas que incluyen rasgos no heredables. todavía se utilizan ampliamente. [13]
La hipótesis de que los cambios epigenéticos afectan la expresión de los cromosomas fue propuesta por el biólogo ruso Nikolai Koltsov . [14] A partir del significado genérico y del adjetivo asociado epigenético , el embriólogo británico CH Waddington acuñó el término epigenética en 1942 como perteneciente a la epigénesis , en paralelo a la 'fenogenética' ( Phänogenetik ) de Valentin Haecker . [15] La epigénesis en el contexto de la biología de ese período se refería a la diferenciación de las células desde su estado totipotente inicial durante el desarrollo embrionario . [dieciséis]
Cuando Waddington acuñó el término, se desconocía la naturaleza física de los genes y su papel en la herencia. En cambio, lo utilizó como modelo conceptual de cómo los componentes genéticos podrían interactuar con su entorno para producir un fenotipo ; utilizó la frase " paisaje epigenético " como metáfora del desarrollo biológico . Waddington sostuvo que los destinos de las células se establecían durante el desarrollo en un proceso que llamó canalización , del mismo modo que una canica rueda hasta el punto de menor elevación local . [17] Waddington sugirió visualizar la creciente irreversibilidad de la diferenciación del tipo celular como crestas que se elevan entre los valles por donde viajan las canicas (análogas a las células). [18]
En los últimos tiempos, la noción de paisaje epigenético de Waddington se ha formalizado rigurosamente en el contexto del enfoque de estado de dinámica de sistemas para el estudio del destino celular. [19] [20] Se predice que la determinación del destino celular exhibirá ciertas dinámicas, como la convergencia del atractor (el atractor puede ser un punto de equilibrio, un ciclo límite o un atractor extraño ) u oscilatorio. [20]
Robin Holliday definió en 1990 la epigenética como "el estudio de los mecanismos de control temporal y espacial de la actividad genética durante el desarrollo de organismos complejos". [21]
El uso más reciente de la palabra en biología sigue definiciones más estrictas. Como lo definen Arthur Riggs y sus colegas, es "el estudio de cambios hereditarios mitótica y/o meióticamente en la función genética que no pueden explicarse por cambios en la secuencia del ADN". [22]
Sin embargo, el término también se ha utilizado para describir procesos que no se ha demostrado que sean hereditarios, como algunas formas de modificación de histonas. En consecuencia, hay intentos de redefinir la "epigenética" en términos más amplios que evitarían las limitaciones que supone exigir la heredabilidad . Por ejemplo, Adrian Bird definió la epigenética como "la adaptación estructural de regiones cromosómicas para registrar, señalar o perpetuar estados de actividad alterados". [7] Esta definición incluiría modificaciones transitorias asociadas con la reparación del ADN o las fases del ciclo celular , así como cambios estables mantenidos a lo largo de múltiples generaciones de células, pero excluiría otras, como la creación de plantillas de la arquitectura de la membrana y los priones , a menos que afecten la función cromosómica. Sin embargo, estas redefiniciones no son universalmente aceptadas y aún están sujetas a debate. [23] El "Proyecto de Epigenómica de la Hoja de Ruta" de los NIH , que se desarrolló entre 2008 y 2017, utiliza la siguiente definición: "Para los fines de este programa, la epigenética se refiere tanto a los cambios hereditarios en la actividad como en la expresión de los genes (en la progenie de células o de individuos ) y también alteraciones estables y a largo plazo en el potencial transcripcional de una célula que no son necesariamente hereditarias". [24] En 2008, en una reunión de Cold Spring Harbor se llegó a una definición consensuada del rasgo epigenético, un "fenotipo establemente hereditario resultante de cambios en un cromosoma sin alteraciones en la secuencia del ADN" . [12]
La similitud de la palabra con "genética" ha generado muchos usos paralelos. El " epigenoma " es un paralelo de la palabra " genoma ", que se refiere al estado epigenético general de una célula, y la epigenómica se refiere a los análisis globales de los cambios epigenéticos en todo el genoma. [13] La frase " código genético " también ha sido adaptada: el " código epigenético " se ha utilizado para describir el conjunto de características epigenéticas que crean diferentes fenotipos en diferentes células a partir de la misma secuencia de ADN subyacente. Llevado al extremo, el "código epigenético" podría representar el estado total de la célula, con la posición de cada molécula contabilizada en un mapa epigenómico , una representación esquemática de la expresión génica, la metilación del ADN y el estado de modificación de histonas de un genómico particular. región. Más típicamente, el término se utiliza en referencia a esfuerzos sistemáticos para medir formas específicas y relevantes de información epigenética, como el código de histonas o los patrones de metilación del ADN . [ cita necesaria ]
La modificación covalente del ADN (p. ej., metilación e hidroximetilación de citosina) o de las proteínas histonas (p. ej., acetilación de lisina, metilación de lisina y arginina, fosforilación de serina y treonina, y ubiquitinación y sumoilación de lisina) desempeñan papeles centrales en muchos tipos de herencia epigenética. Por ello, la palabra "epigenética" se utiliza en ocasiones como sinónimo de estos procesos. Sin embargo, esto puede resultar engañoso. La remodelación de la cromatina no siempre se hereda y no toda herencia epigenética implica remodelación de la cromatina. [25] En 2019, apareció en la literatura científica otra modificación de la lisina que vincula la modificación epigenética con el metabolismo celular, es decir, la lactilación [26]
Debido a que el fenotipo de una célula o individuo se ve afectado por cuál de sus genes se transcribe, los estados de transcripción hereditarios pueden dar lugar a efectos epigenéticos. Hay varias capas de regulación de la expresión genética . Una forma en que se regulan los genes es mediante la remodelación de la cromatina. La cromatina es el complejo de ADN y las proteínas histonas con las que se asocia. Si cambia la forma en que el ADN se envuelve alrededor de las histonas, la expresión genética también puede cambiar. La remodelación de la cromatina se logra mediante dos mecanismos principales:
Con frecuencia existe una relación recíproca entre la metilación del ADN y la metilación de la histona lisina. [32] Por ejemplo, la proteína MBD1 del dominio de unión a metilo , atraída y asociada con la citosina metilada en un sitio CpG del ADN , también puede asociarse con la actividad metiltransferasa H3K9 para metilar la histona 3 en la lisina 9. Por otro lado, la metilación de mantenimiento del ADN mediante DNMT1 parece depender en parte del reconocimiento de la metilación de histonas en el nucleosoma presente en el sitio del ADN para llevar a cabo la metilación de citosina en el ADN recién sintetizado. [32] Existe una mayor interferencia entre la metilación del ADN llevada a cabo por DNMT3A y DNMT3B y la metilación de histonas, de modo que existe una correlación entre la distribución de la metilación del ADN y la metilación de histonas en todo el genoma. [33]
Los mecanismos de heredabilidad del estado de las histonas no se comprenden bien; sin embargo, se sabe mucho sobre el mecanismo de heredabilidad del estado de metilación del ADN durante la división y diferenciación celular. La heredabilidad del estado de metilación depende de ciertas enzimas (como DNMT1 ) que tienen una mayor afinidad por la 5-metilcitosina que por la citosina. Si esta enzima alcanza una porción "hemimetilada" del ADN (donde la 5-metilcitosina se encuentra sólo en una de las dos cadenas de ADN), la enzima metilará la otra mitad. Sin embargo, ahora se sabe que DNMT1 interactúa físicamente con la proteína UHRF1 . UHRF1 ha sido reconocido recientemente como esencial para el mantenimiento de la metilación del ADN mediado por DNMT1. UHRF1 es la proteína que reconoce específicamente el ADN hemimetilado y, por lo tanto, lleva DNMT1 a su sustrato para mantener la metilación del ADN. [33]
Aunque las modificaciones de las histonas ocurren a lo largo de toda la secuencia, los extremos N no estructurados de las histonas (llamados colas de histonas) están particularmente modificados. Estas modificaciones incluyen acetilación , metilación , ubiquitilación , fosforilación , sumoilación , ribosilación y citrulinación. La acetilación es la más estudiada de estas modificaciones. Por ejemplo, la acetilación de las lisinas K14 y K9 de la cola de la histona H3 por las enzimas histona acetiltransferasa (HAT) generalmente está relacionada con la competencia transcripcional [35] (ver Figura).
Una forma de pensar es que esta tendencia de la acetilación a asociarse con la transcripción "activa" es de naturaleza biofísica. Debido a que normalmente tiene nitrógeno cargado positivamente en su extremo, la lisina puede unirse a los fosfatos cargados negativamente de la columna vertebral del ADN. El evento de acetilación convierte el grupo amina cargado positivamente en la cadena lateral en un enlace amida neutro. Esto elimina la carga positiva, aflojando así el ADN de la histona. Cuando esto ocurre, complejos como SWI/SNF y otros factores transcripcionales pueden unirse al ADN y permitir que se produzca la transcripción. Este es el modelo "cis" de la función epigenética. En otras palabras, los cambios en las colas de histonas tienen un efecto directo sobre el propio ADN. [36]
Otro modelo de función epigenética es el modelo "trans". En este modelo, los cambios en las colas de histonas actúan indirectamente sobre el ADN. Por ejemplo, la acetilación de lisina puede crear un sitio de unión para las enzimas modificadoras de la cromatina (o también para la maquinaria de transcripción). Este remodelador de la cromatina puede provocar cambios en el estado de la cromatina. De hecho, un bromodominio (un dominio proteico que se une específicamente a la acetil-lisina) se encuentra en muchas enzimas que ayudan a activar la transcripción, incluido el complejo SWI/SNF . Puede ser que la acetilación actúe de esta y de la forma anterior para ayudar en la activación transcripcional.
La idea de que las modificaciones actúan como módulos de acoplamiento para factores relacionados también se ve confirmada por la metilación de histonas . La metilación de la lisina 9 de la histona H3 se ha asociado durante mucho tiempo con la cromatina constitutivamente silenciosa ( heterocromatina constitutiva ) (ver figura inferior). Se ha determinado que un cromodominio (un dominio que se une específicamente a la metil-lisina) en la proteína transcripcionalmente represiva HP1 recluta HP1 en las regiones metiladas de K9. Un ejemplo que parece refutar este modelo biofísico de metilación es que la trimetilación de la histona H3 en la lisina 4 está fuertemente asociada con (y es necesaria para su total) activación transcripcional (consulte la Figura superior). La trimetilación, en este caso, introduciría una carga positiva fija en la cola.
Se ha demostrado que la histona lisina metiltransferasa (KMT) es responsable de esta actividad de metilación en el patrón de las histonas H3 y H4. Esta enzima utiliza un sitio catalíticamente activo llamado dominio SET (Supresor de la variegación, Potenciador de Zeste, Trithorax). El dominio SET es una secuencia de 130 aminoácidos implicada en la modulación de las actividades genéticas. Se ha demostrado que este dominio se une a la cola de la histona y provoca la metilación de la histona. [37]
Es probable que las diferentes modificaciones de las histonas funcionen de diferentes maneras; Es probable que la acetilación en una posición funcione de manera diferente a la acetilación en otra posición. Además, pueden ocurrir múltiples modificaciones al mismo tiempo, y estas modificaciones pueden trabajar juntas para cambiar el comportamiento del nucleosoma . La idea de que múltiples modificaciones dinámicas regulan la transcripción genética de forma sistemática y reproducible se denomina código de histonas , aunque la idea de que el estado de las histonas se puede leer linealmente como un portador de información digital ha sido en gran medida desacreditada. Uno de los sistemas mejor comprendidos que orquestan el silenciamiento basado en cromatina es el silenciamiento basado en la proteína SIR de los loci de tipo de apareamiento ocultos de levadura HML y HMR.
La metilación del ADN ocurre con frecuencia en secuencias repetidas y ayuda a suprimir la expresión y movilidad de los ' elementos transponibles ': [38] Debido a que la 5-metilcitosina puede desaminarse espontáneamente (reemplazando el nitrógeno por oxígeno) a timidina , los sitios CpG frecuentemente mutan y se vuelven raros. en el genoma, excepto en las islas CpG donde permanecen sin metilar. Por tanto, los cambios epigenéticos de este tipo tienen el potencial de dirigir una mayor frecuencia de mutaciones genéticas permanentes. Se sabe que los patrones de metilación del ADN se establecen y modifican en respuesta a factores ambientales mediante una interacción compleja de al menos tres ADN metiltransferasas independientes , DNMT1, DNMT3A y DNMT3B, cuya pérdida es letal en ratones. [39] En los invertebrados de las abejas melíferas sociales, las principales enzimas son DNMT1 y DNMT3. [40] DNMT1 es la metiltransferasa más abundante en las células somáticas, [41] se localiza en focos de replicación, [42] tiene una preferencia de 10 a 40 veces por el ADN hemimetilado e interactúa con el antígeno nuclear de células en proliferación (PCNA). [43]
Al modificar preferentemente el ADN hemimetilado, DNMT1 transfiere patrones de metilación a una cadena recién sintetizada después de la replicación del ADN y, por lo tanto, a menudo se la denomina metiltransferasa de "mantenimiento". [44] DNMT1 es esencial para el desarrollo embrionario adecuado, la impronta y la inactivación del cromosoma X. [39] [45] Para enfatizar la diferencia entre este mecanismo molecular de herencia y el mecanismo canónico de transmisión de información genética de emparejamiento de bases de Watson-Crick, se introdujo el término "plantillas epigenéticas". [46] Además, además del mantenimiento y transmisión de estados metilados del ADN, el mismo principio podría funcionar en el mantenimiento y transmisión de modificaciones de histonas e incluso estados hereditarios citoplasmáticos ( estructurales ). [47]
En los invertebrados de las abejas melíferas , la metilación del ADN se ha estudiado desde que se secuenció el genoma de las abejas melíferas [48] en 2006. La metilación del ADN se asocia con el empalme alternativo y la regulación genética según una investigación genómica funcional publicada en 2013. [49] Además, el ADN La metilación está asociada con los cambios de expresión en genes inmunes cuando las abejas melíferas estaban bajo una infección viral letal de manera oportuna. [50] Se han publicado varios artículos de revisión sobre los temas de la metilación del ADN en insectos sociales. [51]
La metilación del ARN de N6-metiladenosina (m6A), como la modificación del ARN eucariota más abundante, ha sido reconocida recientemente como un importante mecanismo regulador de genes. [52]
En invertebrados como los insectos sociales de las abejas melíferas, se estudia que la metilación del ARN sea un posible mecanismo epigenético subyacente a la agresión mediante cruces recíprocos. [53]
Las histonas H3 y H4 también se pueden manipular mediante desmetilación utilizando histona lisina desmetilasa (KDM). Esta enzima recientemente identificada tiene un sitio catalíticamente activo llamado dominio Jumonji (JmjC). La desmetilación ocurre cuando JmjC utiliza múltiples cofactores para hidroxilar el grupo metilo, eliminándolo así. JmjC es capaz de desmetilar sustratos mono, di y trimetilados. [54]
Las regiones cromosómicas pueden adoptar estados alternativos estables y hereditarios, lo que da como resultado una expresión genética biestable sin cambios en la secuencia de ADN. El control epigenético a menudo se asocia con modificaciones covalentes alternativas de las histonas. [55] Se sugiere que la estabilidad y heredabilidad de los estados de regiones cromosómicas más grandes implican una retroalimentación positiva donde los nucleosomas modificados reclutan enzimas que modifican de manera similar los nucleosomas cercanos. [56] Aquí se encuentra un modelo estocástico simplificado para este tipo de epigenética. [57] [58]
Se ha sugerido que la regulación transcripcional basada en la cromatina podría estar mediada por el efecto de pequeños ARN. Los pequeños ARN de interferencia pueden modular la expresión de genes transcripcionales mediante la modulación epigenética de promotores específicos . [59]
A veces, un gen, después de activarse, transcribe un producto que (directa o indirectamente) mantiene la actividad de ese gen. Por ejemplo, Hnf4 y MyoD mejoran la transcripción de muchos genes específicos del hígado y del músculo, respectivamente, incluido el suyo propio, a través de la actividad del factor de transcripción de las proteínas que codifican. La señalización de ARN incluye el reclutamiento diferencial de una jerarquía de complejos modificadores de cromatina genéricos y ADN metiltransferasas a loci específicos por parte de ARN durante la diferenciación y el desarrollo. [60] Otros cambios epigenéticos están mediados por la producción de diferentes formas de empalme de ARN o por la formación de ARN bicatenario ( ARNi ). Los descendientes de la célula en la que se activó el gen heredarán esta actividad, incluso si el estímulo original para la activación del gen ya no está presente. Estos genes a menudo se activan o desactivan mediante transducción de señales , aunque en algunos sistemas donde los sincitios o las uniones en hendidura son importantes, el ARN puede propagarse directamente a otras células o núcleos mediante difusión . La madre aporta una gran cantidad de ARN y proteínas al cigoto durante la ovogénesis o a través de células nodrizas , lo que da como resultado fenotipos de efecto materno . Una cantidad menor de ARN espermático se transmite del padre, pero hay pruebas recientes de que esta información epigenética puede provocar cambios visibles en varias generaciones de descendientes. [61]
Los microARN (miARN) son miembros de ARN no codificantes que varían en tamaño de 17 a 25 nucleótidos. Los miARN regulan una gran variedad de funciones biológicas en plantas y animales. [62] Hasta ahora, en 2013, se han descubierto alrededor de 2000 miARN en humanos y estos se pueden encontrar en línea en una base de datos de miARN. [63] Cada miARN expresado en una célula puede apuntar a alrededor de 100 a 200 ARN mensajeros (ARNm) que regula negativamente. [64] La mayor parte de la regulación negativa de los ARNm se produce al provocar la descomposición del ARNm objetivo, mientras que cierta regulación negativa se produce en el nivel de traducción a proteína. [sesenta y cinco]
Parece que alrededor del 60% de los genes que codifican proteínas humanas están regulados por miARN. [66] Muchos miARN están regulados epigenéticamente. Aproximadamente el 50% de los genes de miARN están asociados con islas CpG , [62] que pueden estar reprimidas por metilación epigenética. La transcripción de islas CpG metiladas está fuerte y hereditariamente reprimida. [67] Otros miARN están regulados epigenéticamente mediante modificaciones de histonas o mediante metilación del ADN y modificación de histonas combinadas. [62]
En 2011, se demostró que la metilación del ARNm desempeña un papel fundamental en la homeostasis energética humana . Se ha demostrado que el gen FTO asociado a la obesidad es capaz de desmetilar la N6-metiladenosina en el ARN. [68] [69]
Los ARNs son fragmentos de ARN pequeños (50 a 250 nucleótidos), altamente estructurados y no codificantes que se encuentran en las bacterias. Controlan la expresión genética, incluidos los genes de virulencia en patógenos, y se consideran nuevos objetivos en la lucha contra las bacterias resistentes a los medicamentos. [70] Desempeñan un papel importante en muchos procesos biológicos, uniéndose a objetivos de ARNm y proteínas en procariotas. Sus análisis filogenéticos, por ejemplo a través de interacciones objetivo entre ARNs y ARNm o propiedades de unión a proteínas , se utilizan para crear bases de datos completas. [71] También se construyen mapas de genes de ARNs basados en sus objetivos en los genomas microbianos. [72]
Numerosas investigaciones han demostrado la participación fundamental de los ARN largos no codificantes (lncRNA) en la regulación de la expresión génica y las modificaciones cromosómicas, ejerciendo así un control significativo sobre la diferenciación celular. Estos ARN largos no codificantes también contribuyen a la impronta genómica y a la inactivación del cromosoma X. [73] En invertebrados como los insectos sociales de las abejas melíferas, se detectan ARN largos no codificantes como un posible mecanismo epigenético a través de genes específicos de alelo que subyacen a la agresión a través de cruces recíprocos. [74]
Los priones son formas infecciosas de proteínas . En general, las proteínas se pliegan en unidades discretas que realizan funciones celulares distintas, pero algunas proteínas también son capaces de formar un estado conformacional infeccioso conocido como prión. Aunque a menudo se ven en el contexto de las enfermedades infecciosas , los priones se definen de manera más vaga por su capacidad para convertir catalíticamente otras versiones en estado nativo de la misma proteína a un estado conformacional infeccioso. Es en este último sentido que pueden considerarse agentes epigenéticos capaces de inducir un cambio fenotípico sin modificar el genoma. [75]
Algunos consideran que los priones fúngicos son epigenéticos porque el fenotipo infeccioso causado por el prión puede heredarse sin modificación del genoma. PSI+ y URE3, descubiertos en levaduras en 1965 y 1971, son los dos priones mejor estudiados de este tipo. [76] [77] Los priones pueden tener un efecto fenotípico mediante el secuestro de proteínas en agregados, reduciendo así la actividad de esa proteína. En las células PSI+, la pérdida de la proteína Sup35 (que participa en la terminación de la traducción) hace que los ribosomas tengan una mayor tasa de lectura de los codones de parada , un efecto que resulta en la supresión de mutaciones sin sentido en otros genes. [78] La capacidad de Sup35 para formar priones puede ser un rasgo conservado. Podría conferir una ventaja adaptativa al dar a las células la capacidad de cambiar a un estado PSI+ y expresar características genéticas latentes que normalmente terminan con mutaciones del codón de parada. [79] [80] [81] [82]
También se ha observado epigenética basada en priones en Saccharomyces cerevisiae . [83]
Los cambios epigenéticos modifican la activación de ciertos genes, pero no la secuencia del código genético del ADN. [84] La microestructura (no el código) del propio ADN o de las proteínas de la cromatina asociadas pueden modificarse, provocando activación o silenciamiento. Este mecanismo permite que las células diferenciadas de un organismo multicelular expresen sólo los genes que son necesarios para su propia actividad. Los cambios epigenéticos se conservan cuando las células se dividen. La mayoría de los cambios epigenéticos sólo ocurren en el transcurso de la vida de un organismo individual; sin embargo, estos cambios epigenéticos pueden transmitirse a la descendencia del organismo mediante un proceso llamado herencia epigenética transgeneracional . Además, si se produce una inactivación genética en un espermatozoide o en un óvulo que da como resultado la fertilización, esta modificación epigenética también puede transferirse a la siguiente generación. [85]
Los procesos epigenéticos específicos incluyen paramutación , marcadores , impronta , silenciamiento genético , inactivación del cromosoma X , efecto de posición , reprogramación de la metilación del ADN , transvección , efectos maternos , el progreso de la carcinogénesis , muchos efectos de los teratógenos , regulación de las modificaciones de las histonas y la heterocromatina , y limitaciones técnicas que afectan partenogénesis y clonación . [86] [87] [88]
El daño al ADN también puede causar cambios epigenéticos. [89] [90] [91] El daño al ADN es muy frecuente y ocurre en promedio unas 60.000 veces al día por célula del cuerpo humano (consulte Daño al ADN (que ocurre naturalmente) ). Estos daños se reparan en gran medida; sin embargo, los cambios epigenéticos aún pueden permanecer en el sitio de reparación del ADN. [92] En particular, una rotura de doble cadena en el ADN puede iniciar el silenciamiento de genes epigenéticos no programados, tanto al causar la metilación del ADN como al promover tipos de silenciamiento de modificaciones de histonas (remodelación de la cromatina; consulte la siguiente sección). [93] Además, la enzima Parp1 (poli(ADP)-ribosa polimerasa) y su producto poli(ADP)-ribosa (PAR) se acumulan en los sitios de daño del ADN como parte del proceso de reparación. [94] Esta acumulación, a su vez, dirige el reclutamiento y la activación de la proteína remodeladora de la cromatina, ALC1, que puede causar la remodelación del nucleosoma . [95] Se ha descubierto que la remodelación de nucleosomas causa, por ejemplo, el silenciamiento epigenético del gen de reparación del ADN MLH1. [22] [96] Las sustancias químicas que dañan el ADN, como el benceno , la hidroquinona , el estireno , el tetracloruro de carbono y el tricloroetileno , causan una hipometilación considerable del ADN, algunas a través de la activación de vías de estrés oxidativo. [97]
Se sabe que los alimentos alteran la epigenética de ratas con diferentes dietas. [98] Algunos componentes de los alimentos aumentan epigenéticamente los niveles de enzimas reparadoras del ADN, como MGMT y MLH1 [99] y p53 . [100] [101] Otros componentes de los alimentos pueden reducir el daño al ADN, como las isoflavonas de soja . En un estudio, los marcadores del estrés oxidativo, como los nucleótidos modificados que pueden resultar del daño del ADN, disminuyeron con una dieta de 3 semanas suplementada con soja. [102] También se observó una disminución en el daño oxidativo del ADN 2 h después del consumo de extracto de orujo de arándano rico en antocianinas ( Vaccinium myrtillius L.) . [103]
El daño al ADN es muy común y se repara constantemente. Las alteraciones epigenéticas pueden acompañar a la reparación del daño oxidativo o roturas de doble cadena del ADN. En las células humanas, el daño oxidativo del ADN ocurre aproximadamente 10,000 veces al día y las roturas de la doble hebra del ADN ocurren aproximadamente de 10 a 50 veces por ciclo celular en las células somáticas que se replican (consulte Daño al ADN (que ocurre naturalmente) ). La ventaja selectiva de la reparación del ADN es permitir que la célula sobreviva frente al daño del ADN. La ventaja selectiva de las alteraciones epigenéticas que ocurren con la reparación del ADN no está clara. [ cita necesaria ]
En el estado estacionario (con daños endógenos que se producen y se reparan), hay alrededor de 2.400 guaninas dañadas por oxidación que forman 8-oxo-2'-desoxiguanosina (8-OHdG) en el ADN de una célula de mamífero promedio. [104] El 8-OHdG constituye aproximadamente el 5% de los daños oxidativos comúnmente presentes en el ADN. [105] Las guaninas oxidadas no se encuentran al azar entre todas las guaninas en el ADN. Existe una preferencia de secuencia por la guanina en un sitio CpG metilado (una citosina seguida de guanina a lo largo de su dirección 5' → 3' y donde la citosina está metilada (5-mCpG)). [106] Un sitio 5-mCpG tiene el potencial de ionización más bajo para la oxidación de guanina. [ cita necesaria ]
La guanina oxidada tiene potencial de desacoplamiento y es mutagénica. [108] La oxoguanina glicosilasa (OGG1) es la principal enzima responsable de la escisión de la guanina oxidada durante la reparación del ADN. OGG1 encuentra y se une a un 8-OHdG en unos pocos segundos. [109] Sin embargo, OGG1 no elimina inmediatamente el 8-OHdG. En las células HeLa, la mitad de la eliminación máxima de 8-OHdG se produce en 30 minutos, [110] y en ratones irradiados, los 8-OHdG inducidos en el hígado del ratón se eliminan con una vida media de 11 minutos. [105]
Cuando OGG1 está presente en una guanina oxidada dentro de un sitio CpG metilado , recluta TET1 en la lesión de 8-OHdG (ver Figura). Esto permite que TET1 desmetile una citosina metilada adyacente. La desmetilación de la citosina es una alteración epigenética. [ cita necesaria ]
Por ejemplo, cuando se trataron células epiteliales mamarias humanas con H 2 O 2 durante seis horas, la 8-OHdG aumentó aproximadamente 3,5 veces en el ADN y esto provocó aproximadamente un 80% de desmetilación de las 5-metilcitosinas en el genoma. [107] La desmetilación de CpG en un promotor de gen mediante la actividad de la enzima TET aumenta la transcripción del gen en ARN mensajero. [111] En las células tratadas con H 2 O 2 , se examinó un gen particular, BACE1 . [107] El nivel de metilación de la isla CpG de BACE1 se redujo (una alteración epigenética) y esto permitió un aumento de aproximadamente 6,5 veces en la expresión del ARN mensajero de BACE1 . [ cita necesaria ]
Mientras que la incubación de seis horas con H 2 O 2 causa una desmetilación considerable de los sitios 5-mCpG, tiempos más cortos de incubación con H 2 O 2 parecen promover otras alteraciones epigenéticas. El tratamiento de las células con H 2 O 2 durante 30 minutos hace que el heterodímero MSH2-MSH6 de la proteína reparadora de errores de coincidencia reclute la ADN metiltransferasa 1 ( DNMT1 ) en los sitios de algunos tipos de daño oxidativo del ADN. [112] Esto podría causar una mayor metilación de citosinas (alteraciones epigenéticas) en estos lugares.
Jiang et al. [113] trataron células HEK 293 con agentes que causaban daño oxidativo al ADN ( bromato de potasio (KBrO3) o cromato de potasio (K2CrO4)). La reparación por escisión de bases (BER) del daño oxidativo se produjo con la enzima reparadora del ADN polimerasa beta localizándose en guaninas oxidadas. La polimerasa beta es la principal polimerasa humana en el BER de parche corto de daño oxidativo del ADN. Jiang et al. [113] también encontraron que la polimerasa beta reclutó la proteína ADN metiltransferasa DNMT3b en los sitios de reparación de BER. Luego evaluaron el patrón de metilación a nivel de un solo nucleótido en una pequeña región del ADN, incluida la región promotora y la región de transcripción temprana del gen BRCA1 . El daño oxidativo del ADN causado por el bromato moduló el patrón de metilación del ADN (causó alteraciones epigenéticas) en los sitios CpG dentro de la región del ADN estudiada. En las células no tratadas, los CpG ubicados en −189, −134, −29, −19, +16 y +19 del gen BRCA1 tenían citosinas metiladas (donde la numeración proviene del sitio de inicio de la transcripción del ARN mensajero y los números negativos indican los nucleótidos en la región promotora aguas arriba ). La oxidación inducida por el tratamiento con bromato resultó en la pérdida de metilación de citosina en −189, −134, +16 y +19, al tiempo que condujo a la formación de nueva metilación en los CpG ubicados en −80, −55, −21 y +8 después. Se permitió la reparación del ADN.
Al menos cuatro artículos informan sobre el reclutamiento de ADN metiltransferasa 1 (DNMT1) en sitios de roturas de doble cadena de ADN. [114] [115] [116] [117] Durante la reparación recombinante homóloga (HR) de la rotura de la doble hebra, la participación de DNMT1 hace que las dos hebras de ADN reparadas tengan diferentes niveles de citosinas metiladas. Una cadena se metila con frecuencia en aproximadamente 21 sitios CpG aguas abajo de la rotura de la doble cadena reparada. La otra cadena de ADN pierde metilación en aproximadamente seis sitios CpG que previamente estaban metilados aguas abajo de la rotura de la doble hebra, así como también pierde metilación en aproximadamente cinco sitios CpG que estaban previamente metilados aguas arriba de la rotura de la doble hebra. Cuando el cromosoma se replica, esto da lugar a un cromosoma hijo que está fuertemente metilado aguas abajo del sitio de ruptura anterior y otro que no está metilado en la región tanto aguas arriba como aguas abajo del sitio de ruptura anterior. Con respecto al gen que fue roto por la rotura de la doble hebra, la mitad de las células de la progenie expresan ese gen a un nivel alto y en la otra mitad de las células de la progenie la expresión de ese gen está reprimida. Cuando los clones de estas células se mantuvieron durante tres años, los nuevos patrones de metilación se mantuvieron durante ese período. [118]
En ratones con una inserción de recombinación dirigida por homología mediada por CRISPR en su genoma, hubo una gran cantidad de metilaciones aumentadas de sitios CpG dentro de la inserción asociada a la rotura de la doble hebra. [119]
La reparación por unión de extremos no homólogos (NHEJ) de una rotura de doble cadena puede causar una pequeña cantidad de desmetilaciones de metilaciones de ADN de citosina preexistentes aguas abajo de la rotura de doble cadena reparada. [115] Trabajos adicionales de Allen et al. [120] demostraron que el NHEJ de una rotura de la doble hebra del ADN en una célula podría dar lugar a que algunas células de la progenie tuvieran la expresión reprimida del gen que alberga la rotura de la doble hebra inicial y que alguna progenie tuviera una alta expresión de ese gen debido a alteraciones epigenéticas asociadas. con reparación NHEJ. La frecuencia de alteraciones epigenéticas que causan la represión de un gen después de una reparación NHEJ de una rotura de doble cadena de ADN en ese gen puede ser aproximadamente del 0,9%. [116]
La investigación epigenética utiliza una amplia gama de técnicas de biología molecular para comprender mejor los fenómenos epigenéticos. Estas técnicas incluyen inmunoprecipitación de cromatina (junto con sus variantes a gran escala ChIP-on-chip y ChIP-Seq ), hibridación fluorescente in situ , enzimas de restricción sensibles a la metilación , identificación de ADN adenina metiltransferasa ( DamID ) y secuenciación con bisulfito . [121] Además, el uso de métodos bioinformáticos tiene un papel en la epigenética computacional . [121]
La inmunoprecipitación de cromatina ChIP ha ayudado a cerrar la brecha entre el ADN y las interacciones epigenéticas. [122] Con el uso de ChIP, los investigadores pueden hacer hallazgos con respecto a la regulación genética, los mecanismos de transcripción y la estructura de la cromatina. [122]
La hibridación fluorescente in situ (FISH) es muy importante para comprender los mecanismos epigenéticos. [123] FISH se puede utilizar para encontrar la ubicación de genes en los cromosomas, así como para encontrar ARN no codificantes. [123] [124] FISH se utiliza predominantemente para detectar anomalías cromosómicas en humanos. [124]
Las enzimas de restricción sensibles a la metilación combinadas con la PCR son una forma de evaluar la metilación en el ADN, específicamente los sitios CpG. [125] Si el ADN está metilado, las enzimas de restricción no escindirán la cadena. [125] Por el contrario, si el ADN no está metilado, las enzimas escindirán la cadena y será amplificada por PCR. [125]
La secuenciación con bisulfito es otra forma de evaluar la metilación del ADN. La citosina se convertirá en uracilo al ser tratada con bisulfito de sodio, mientras que las citosinas metiladas no se verán afectadas. [125] [50] [49]
Ciertos métodos de secuenciación, como la secuenciación por nanoporos , permiten la secuenciación de ADN nativo. El ADN nativo (=no amplificado) conserva las modificaciones epigenéticas que de otro modo se perderían durante el paso de amplificación. Los modelos de llamador de bases de nanoporos pueden distinguir entre las señales obtenidas para bases modificadas epigenéticamente y bases inalteradas y proporcionar un perfil epigenético además del resultado de la secuenciación. [126]
En los ciliados como Tetrahymena y Paramecium , las células genéticamente idénticas muestran diferencias hereditarias en los patrones de las filas ciliares en su superficie celular. Los patrones alterados experimentalmente se pueden transmitir a las células hijas. Parece que las estructuras existentes actúan como modelos para nuevas estructuras. Los mecanismos de dicha herencia no están claros, pero existen razones para suponer que los organismos multicelulares también utilizan estructuras celulares existentes para ensamblar otras nuevas. [127] [128] [129]
Los genomas eucariotas tienen numerosos nucleosomas . La posición de los nucleosomas no es aleatoria y determina la accesibilidad del ADN a las proteínas reguladoras. Se ha demostrado que los promotores activos en diferentes tejidos tienen diferentes características de posicionamiento de los nucleosomas. [130] Esto determina las diferencias en la expresión genética y la diferenciación celular. Se ha demostrado que al menos algunos nucleosomas se retienen en los espermatozoides (donde la mayoría, pero no todas, las histonas son reemplazadas por protaminas ). Por tanto, la posición de los nucleosomas es hasta cierto punto heredable. Estudios recientes han descubierto conexiones entre el posicionamiento de los nucleosomas y otros factores epigenéticos, como la metilación y la hidroximetilación del ADN. [131]
Se incorporan diferentes variantes de histonas en regiones específicas del genoma de forma no aleatoria. Sus características bioquímicas diferenciales pueden afectar las funciones del genoma a través de su papel en la regulación genética [132] y el mantenimiento de las estructuras cromosómicas. [133]
La configuración tridimensional del genoma (el genoma 3D) es compleja, dinámica y crucial para regular la función genómica y los procesos nucleares como la replicación, la transcripción y la reparación de daños del ADN. [134]
La formación y el mantenimiento de la memoria se deben a alteraciones epigenéticas que provocan los cambios dinámicos necesarios en la transcripción de genes que crean y renuevan la memoria en las neuronas. [31]
Un evento puede desencadenar una cadena de reacciones que resultan en metilaciones alteradas de un gran conjunto de genes en las neuronas, que dan una representación del evento, un recuerdo. [31]
Las áreas del cerebro importantes en la formación de recuerdos incluyen el hipocampo, la corteza prefrontal medial (mPFC), la corteza cingulada anterior y la amígdala, como se muestra en el diagrama del cerebro humano en esta sección. [135]
Cuando se crea un recuerdo fuerte, como en una rata sometida al condicionamiento de miedo contextual (CFC), uno de los primeros eventos que ocurre es que la topoisomerasa IIB forma más de 100 roturas de doble cadena de ADN en las neuronas del hipocampo y la región medial. corteza prefrontal (mPFC). [136] Estas roturas de doble hebra se encuentran en ubicaciones específicas que permiten la activación de la transcripción de genes tempranos inmediatos (IEG) que son importantes en la formación de la memoria, lo que permite su expresión en ARNm , con una transcripción máxima de ARNm entre siete y diez minutos después de la CFC. [136] [137]
Dos IEG importantes en la formación de la memoria son EGR1 [138] y la variante promotora alternativa de DNMT3A , DNMT3A2 . [139] La proteína EGR1 se une al ADN en sus motivos de unión, 5′-GCGTGGCGG-3' o 5′-GCGGGGGCGG-3', y hay alrededor de 12 000 ubicaciones del genoma en las que la proteína EGR1 puede unirse. [140] La proteína EGR1 se une al ADN en regiones promotoras y potenciadoras de genes . EGR1 recluta la enzima desmetilante TET1 para una asociación y lleva a TET1 a aproximadamente 600 ubicaciones en el genoma donde TET1 puede luego desmetilar y activar los genes asociados. [140]
Las ADN metiltransferasas DNMT3A1, DNMT3A2 y DNMT3B pueden metilar citosinas (ver imagen en esta sección) en sitios CpG en o cerca de los promotores de genes. Como lo muestran Manzo et al., [141] estas tres ADN metiltransferasas difieren en sus ubicaciones de unión genómica y actividad de metilación del ADN en diferentes sitios reguladores. Manzo et al. localizaron 3.970 regiones del genoma enriquecidas exclusivamente para DNMT3A1, 3.838 regiones para DNMT3A2 y 3.432 regiones para DNMT3B. Cuando DNMT3A2 se induce nuevamente como IEG (cuando se activan las neuronas), se producen muchas metilaciones nuevas de citosina, presumiblemente en las regiones objetivo de DNMT3A2. Oliviera et al. [139] encontraron que los niveles de IEG inducibles por actividad neuronal de Dnmt3a2 en el hipocampo determinaban la capacidad de formar recuerdos a largo plazo.
Las ratas forman recuerdos asociativos a largo plazo después del condicionamiento contextual del miedo (CFC) . [142] Duque y otros. [30] encontraron que 24 horas después del CFC en ratas, en las neuronas del hipocampo, 2.097 genes (9,17% de los genes en el genoma de la rata) habían alterado la metilación. Cuando hay citosinas recién metiladas presentes en sitios CpG en las regiones promotoras de genes, los genes a menudo se reprimen, y cuando hay citosinas recién desmetiladas, los genes pueden activarse. [143] Después de CFC, hubo 1.048 genes con expresión de ARNm reducida y 564 genes con expresión de ARNm regulada positivamente. De manera similar, cuando los ratones se someten a CFC, una hora más tarde en la región del hipocampo del cerebro del ratón hay 675 genes desmetilados y 613 genes hipermetilados. [144] Sin embargo, los recuerdos no permanecen en el hipocampo, sino que después de cuatro o cinco semanas se almacenan en la corteza cingulada anterior. [145] En los estudios en ratones después de CFC, Halder et al. [144] demostraron que cuatro semanas después de la CFC había al menos 1.000 genes metilados diferencialmente y más de 1.000 genes expresados diferencialmente en la corteza cingulada anterior, mientras que al mismo tiempo se revertían las metilaciones alteradas en el hipocampo.
La alteración epigenética de la metilación después de que se establece una nueva memoria crea un conjunto diferente de ARNm nucleares. Según lo revisado por Bernstein, [31] la nueva mezcla de ARNm nucleares determinada epigenéticamente a menudo se empaqueta en gránulos neuronales, o RNP mensajera , que consisten en ARNm, subunidades ribosomales pequeñas y grandes , factores de iniciación de la traducción y proteínas de unión a ARN que regulan la función del ARNm. Estos gránulos neuronales se transportan desde el núcleo de la neurona y se dirigen, según las regiones 3' no traducidas del ARNm en los gránulos (sus "códigos postales"), a las dendritas neuronales . Aproximadamente 2.500 ARNm pueden localizarse en las dendritas de las neuronas piramidales del hipocampo y quizás 450 transcripciones se encuentren en las terminales nerviosas presinápticas excitadoras (espinas dendríticas). Las variedades alteradas de transcripciones (que dependen de alteraciones epigenéticas en el núcleo de la neurona) tienen diferentes sensibilidades en respuesta a las señales, que es la base de la plasticidad sináptica alterada. La plasticidad sináptica alterada a menudo se considera la base neuroquímica del aprendizaje y la memoria.
La epigenética desempeña un papel importante en el envejecimiento cerebral y el deterioro cognitivo relacionado con la edad, con relevancia para la extensión de la vida . [146] [147] [148] [149] [150]
En la edad adulta, los cambios en el epigenoma son importantes para diversas funciones cognitivas superiores. La desregulación de los mecanismos epigenéticos está implicada en trastornos y enfermedades neurodegenerativas . Las modificaciones epigenéticas en las neuronas son dinámicas y reversibles. [151] La regulación epigenética afecta la acción neuronal y afecta el aprendizaje, la memoria y otros procesos cognitivos . [152]
Los eventos tempranos, incluso durante el desarrollo embrionario , pueden influir en el desarrollo, la cognición y los resultados de salud a través de mecanismos epigenéticos. [153]
Los mecanismos epigenéticos se han propuesto como "un mecanismo molecular potencial para los efectos de las hormonas endógenas en la organización de los circuitos cerebrales en desarrollo". [154]
Los nutrientes podrían interactuar con el epigenoma para "proteger o impulsar los procesos cognitivos a lo largo de la vida". [155] [156]
Una revisión sugiere que los efectos neurobiológicos del ejercicio físico a través de la epigenética parecen "centrales para construir una 'memoria epigenética' que influya en la función y el comportamiento del cerebro a largo plazo" e incluso pueden ser hereditarios. [157]
Con la sinapsis axociliar , existe una comunicación entre los axones serotoninérgicos y los cilios primarios en forma de antena de las neuronas piramidales CA1 que altera el estado epigenético de la neurona en el núcleo a través de una señalización distinta de la de la membrana plasmática (y a más largo plazo). [158] [159]
La epigenética también desempeña un papel importante en la evolución del cerebro en y para los humanos . [160]
La epigenética del desarrollo se puede dividir en epigénesis predeterminada y probabilística. La epigénesis predeterminada es un movimiento unidireccional desde el desarrollo estructural en el ADN hasta la maduración funcional de la proteína. "Predeterminado" aquí significa que el desarrollo está programado y es predecible. La epigénesis probabilística, por otro lado, es un desarrollo bidireccional de estructura-función con experiencias y desarrollo de moldeo externo. [161]
La herencia epigenética somática, particularmente a través de modificaciones covalentes del ADN y las histonas y el reposicionamiento de los nucleosomas , es muy importante en el desarrollo de organismos eucariotas multicelulares. [131] La secuencia del genoma es estática (con algunas excepciones notables), pero las células se diferencian en muchos tipos diferentes, que realizan diferentes funciones y responden de manera diferente al entorno y a la señalización intercelular. Así, a medida que los individuos se desarrollan, los morfógenos activan o silencian genes de una manera epigenéticamente hereditaria, dando a las células una memoria. En los mamíferos, la mayoría de las células se diferencian terminalmente, y sólo las células madre conservan la capacidad de diferenciarse en varios tipos de células ("totipotencia" y "multipotencia"). En los mamíferos , algunas células madre continúan produciendo células recién diferenciadas durante toda la vida, como en la neurogénesis , pero los mamíferos no son capaces de responder a la pérdida de algunos tejidos, por ejemplo, la incapacidad de regenerar extremidades, algo que otros animales sí son capaces de hacer. Las modificaciones epigenéticas regulan la transición de células madre neurales a células progenitoras gliales (por ejemplo, la diferenciación en oligodendrocitos está regulada por la desacetilación y metilación de histonas. [162] A diferencia de los animales, las células vegetales no se diferencian terminalmente y permanecen totipotentes con la capacidad de dar Si bien las plantas utilizan muchos de los mismos mecanismos epigenéticos que los animales, como la remodelación de la cromatina , se ha planteado la hipótesis de que algunos tipos de células vegetales no utilizan ni requieren "memorias celulares", restableciendo sus patrones de expresión genética. utilizando información posicional del entorno y las células circundantes para determinar su destino [163] .
Los cambios epigenéticos pueden ocurrir en respuesta a la exposición ambiental; por ejemplo, la suplementación dietética materna con genisteína (250 mg/kg) tiene cambios epigenéticos que afectan la expresión del gen agutí , que afecta el color del pelaje, el peso y la propensión a desarrollar cáncer. [164] [165] [166] La investigación en curso se centra en explorar el impacto de otros teratógenos conocidos , como la embriopatía diabética , en las firmas de metilación . [167]
Los resultados controvertidos de un estudio sugirieron que las experiencias traumáticas podrían producir una señal epigenética que pueda transmitirse a las generaciones futuras. Se entrenó a ratones, mediante descargas en las patas, para que temieran el olor de las flores de cerezo. Los investigadores informaron que las crías de ratón tenían una mayor aversión a este olor específico. [168] [169] Sugirieron cambios epigenéticos que aumentan la expresión genética, en lugar de en el ADN mismo, en un gen, M71, que gobierna el funcionamiento de un receptor de olor en la nariz que responde específicamente a este olor a flor de cerezo. Hubo cambios físicos que se correlacionaron con la función olfativa (olfato) en los cerebros de los ratones entrenados y sus descendientes. Se informaron varias críticas, incluido el bajo poder estadístico del estudio como evidencia de algunas irregularidades, como sesgos en la presentación de resultados. [170] Debido a los límites del tamaño de la muestra, existe la probabilidad de que un efecto no se demuestre dentro de la significación estadística, incluso si existe. Las críticas sugirieron que la probabilidad de que todos los experimentos reportados mostraran resultados positivos si se siguiera un protocolo idéntico, suponiendo que existieran los efectos pretendidos, es sólo del 0,4%. Los autores tampoco indicaron qué ratones eran hermanos y trataron a todos los ratones como estadísticamente independientes. [171] Los investigadores originales señalaron resultados negativos en el apéndice del artículo que la crítica omitió en sus cálculos, y se comprometieron a rastrear qué ratones eran hermanos en el futuro. [172]
Los mecanismos epigenéticos fueron una parte necesaria del origen evolutivo de la diferenciación celular . [173] [ necesita una cita para verificar ] Aunque generalmente se piensa que la epigenética en organismos multicelulares es un mecanismo involucrado en la diferenciación, con patrones epigenéticos que se "reinician" cuando los organismos se reproducen, ha habido algunas observaciones de herencia epigenética transgeneracional (p. ej., el fenómeno de paramutación observada en el maíz ). Aunque la mayoría de estos rasgos epigenéticos multigeneracionales se pierden gradualmente a lo largo de varias generaciones, sigue existiendo la posibilidad de que la epigenética multigeneracional sea otro aspecto de la evolución y la adaptación. Como se mencionó anteriormente, algunos definen la epigenética como hereditaria.
Una línea germinal secuestrada o barrera de Weismann es específica de los animales, y la herencia epigenética es más común en plantas y microbios. Eva Jablonka , Marion J. Lamb y Étienne Danchin han argumentado que estos efectos pueden requerir mejoras en el marco conceptual estándar de la síntesis moderna y han pedido una síntesis evolutiva ampliada . [174] [175] [176] Otros biólogos evolutivos, como John Maynard Smith , han incorporado la herencia epigenética en modelos de genética de poblaciones [177] o se muestran abiertamente escépticos ante la síntesis evolutiva extendida ( Michael Lynch ). [178] Thomas Dickins y Qazi Rahman afirman que los mecanismos epigenéticos como la metilación del ADN y la modificación de histonas se heredan genéticamente bajo el control de la selección natural y, por lo tanto, encajan en la "síntesis moderna" anterior . [179]
Dos formas importantes en las que la herencia epigenética puede diferir de la herencia genética tradicional, con importantes consecuencias para la evolución, son:
En las plantas, las mutaciones hereditarias de metilación del ADN tienen 100.000 veces más probabilidades de ocurrir en comparación con las mutaciones del ADN. [182] Un elemento heredado epigenéticamente, como el sistema PSI+ , puede actuar como un "remedio", lo suficientemente bueno para una adaptación a corto plazo que permita al linaje sobrevivir durante el tiempo suficiente para que la mutación y/o la recombinación asimile genéticamente el fenotipo adaptativo. cambiar. [183] La existencia de esta posibilidad aumenta la capacidad de evolución de una especie.
Se han informado más de 100 casos de fenómenos de herencia epigenética transgeneracional en una amplia gama de organismos, incluidos procariotas, plantas y animales. [184] Por ejemplo, las mariposas con manto de luto cambiarán de color a través de cambios hormonales en respuesta a la experimentación con temperaturas variables. [185]
El hongo filamentoso Neurospora crassa es un sistema modelo destacado para comprender el control y la función de la metilación de la citosina. En este organismo, la metilación del ADN está asociada con reliquias de un sistema de defensa del genoma llamado RIP (mutación puntual inducida por repetición) y silencia la expresión genética al inhibir el alargamiento de la transcripción. [186]
El prión de levadura PSI se genera mediante un cambio conformacional de un factor de terminación de la traducción, que luego es heredado por las células hijas. Esto puede proporcionar una ventaja de supervivencia en condiciones adversas, lo que ejemplifica la regulación epigenética que permite a los organismos unicelulares responder rápidamente al estrés ambiental. Los priones pueden considerarse agentes epigenéticos capaces de inducir un cambio fenotípico sin modificación del genoma. [187]
La detección directa de marcas epigenéticas en microorganismos es posible con la secuenciación en tiempo real de una sola molécula , en la que la sensibilidad de la polimerasa permite medir la metilación y otras modificaciones a medida que se secuencia una molécula de ADN. [188] Varios proyectos han demostrado la capacidad de recopilar datos epigenéticos de todo el genoma en bacterias. [189] [190] [191] [192]
Si bien la epigenética tiene una importancia fundamental en los eucariotas , especialmente en los metazoos , en las bacterias desempeña un papel diferente. [193] Lo más importante es que los eucariotas utilizan mecanismos epigenéticos principalmente para regular la expresión genética, algo que las bacterias rara vez hacen. Sin embargo, las bacterias hacen un uso generalizado de la metilación posreplicativa del ADN para el control epigenético de las interacciones ADN-proteína. Las bacterias también utilizan la metilación de la adenina del ADN (en lugar de la metilación de la citosina del ADN ) como señal epigenética. La metilación de la adenina del ADN es importante en la virulencia de las bacterias en organismos como Escherichia coli , Salmonella , Vibrio , Yersinia , Haemophilus y Brucella . En Alphaproteobacteria , la metilación de la adenina regula el ciclo celular y acopla la transcripción de genes con la replicación del ADN. En las gammaproteobacterias , la metilación de la adenina proporciona señales para la replicación del ADN, la segregación cromosómica, la reparación de errores de coincidencia, el empaquetamiento de bacteriófagos, la actividad de la transposasa y la regulación de la expresión genética. [187] [194] Existe un interruptor genético que controla el Streptococcus pneumoniae (el neumococo) que permite a la bacteria cambiar aleatoriamente sus características en seis estados alternativos que podrían allanar el camino hacia vacunas mejoradas. Cada forma se genera aleatoriamente mediante un sistema de metilación de fase variable. La capacidad del neumococo para causar infecciones mortales es diferente en cada uno de estos seis estados. Existen sistemas similares en otros géneros bacterianos. [195] En Bacillota como Clostridioides difficile , la metilación de adenina regula la esporulación , la formación de biopelículas y la adaptación del huésped. [196]
La epigenética tiene muchas y variadas aplicaciones médicas potenciales. [197] En 2008, los Institutos Nacionales de Salud anunciaron que se habían destinado 190 millones de dólares a la investigación epigenética durante los próximos cinco años. Al anunciar la financiación, los funcionarios gubernamentales señalaron que la epigenética tiene el potencial de explicar los mecanismos del envejecimiento , el desarrollo humano y los orígenes del cáncer , las enfermedades cardíacas , las enfermedades mentales y varias otras afecciones. Algunos investigadores, como Randy Jirtle , Ph.D., del Centro Médico de la Universidad de Duke, creen que, en última instancia, la epigenética puede tener un papel más importante en las enfermedades que la genética. [198]
Las comparaciones directas de gemelos idénticos constituyen un modelo óptimo para interrogar la epigenética ambiental . En el caso de humanos con diferentes exposiciones ambientales, los gemelos monocigóticos (idénticos) eran epigenéticamente indistinguibles durante sus primeros años, mientras que los gemelos mayores tenían diferencias notables en el contenido general y la distribución genómica del ADN de 5-metilcitosina y la acetilación de histonas. [11] Las parejas de gemelos que habían pasado menos parte de su vida juntas y/o tenían mayores diferencias en sus antecedentes médicos fueron aquellas que mostraron las mayores diferencias en sus niveles de ADN de 5-metilcitosina y acetilación de histonas H3 y H4. [199]
Los gemelos dicigóticos (fraternos) y monocigóticos (idénticos) muestran evidencia de influencia epigenética en humanos. [199] [200] [201] Las diferencias en la secuencia de ADN que serían abundantes en un estudio basado en un solo caso no interfieren con el análisis. Las diferencias ambientales pueden producir efectos epigenéticos a largo plazo, y diferentes subtipos de gemelos monocigóticos en el desarrollo pueden ser diferentes con respecto a su susceptibilidad a ser discordantes desde un punto de vista epigenético. [202]
Un estudio de alto rendimiento , que denota tecnología que analiza marcadores genéticos extensos, se centró en las diferencias epigenéticas entre gemelos monocigóticos para comparar cambios globales y específicos del locus en la metilación del ADN y las modificaciones de histonas en una muestra de 40 pares de gemelos monocigóticos. [199] En este caso, solo se estudiaron pares de gemelos sanos, pero estuvo representado un amplio rango de edades, entre 3 y 74 años. Una de las principales conclusiones de este estudio fue que existe una acumulación de diferencias epigenéticas dependiente de la edad entre los dos hermanos de parejas de gemelos. Esta acumulación sugiere la existencia de una "deriva" epigenética. La deriva epigenética es el término que se le da a las modificaciones epigenéticas que ocurren como una función directa con la edad. Si bien la edad es un factor de riesgo conocido para muchas enfermedades, se ha descubierto que la metilación relacionada con la edad ocurre de manera diferencial en sitios específicos a lo largo del genoma. Con el tiempo, esto puede resultar en diferencias mensurables entre la edad biológica y cronológica. Se ha descubierto que los cambios epigenéticos reflejan el estilo de vida y pueden actuar como biomarcadores funcionales de la enfermedad antes de que se alcance el umbral clínico . [203]
Un estudio más reciente, en el que se analizó el estado de metilación del ADN de alrededor de 6.000 regiones genómicas únicas en 114 gemelos monocigóticos y 80 gemelos dicigóticos, concluyó que la similitud epigenética en el momento de la división del blastocisto también puede contribuir a las similitudes fenotípicas en gemelos monocigóticos. Esto respalda la idea de que el microambiente en las primeras etapas del desarrollo embrionario puede ser muy importante para el establecimiento de marcas epigenéticas. [200] Las enfermedades genéticas congénitas se comprenden bien y está claro que la epigenética puede desempeñar un papel, por ejemplo, en el caso del síndrome de Angelman y el síndrome de Prader-Willi . Estas son enfermedades genéticas normales causadas por deleciones o inactivaciones de genes, pero son inusualmente comunes porque los individuos son esencialmente hemicigotos debido a la impronta genómica y, por lo tanto, la eliminación de un solo gen es suficiente para causar la enfermedad, donde en la mayoría de los casos se requerirían ambas copias para ser noqueado. [204]
Algunos trastornos humanos están asociados con la impronta genómica, un fenómeno en los mamíferos donde el padre y la madre aportan diferentes patrones epigenéticos para loci genómicos específicos en sus células germinales . [205] El caso más conocido de impronta en trastornos humanos es el del síndrome de Angelman y el síndrome de Prader-Willi ; ambos pueden ser producidos por la misma mutación genética, la deleción parcial del cromosoma 15q , y el síndrome particular que se desarrollará depende de si el La mutación se hereda de la madre del niño o de su padre. [206] Esto se debe a la presencia de impronta genómica en la región. El síndrome de Beckwith-Wiedemann también se asocia con la impronta genómica, a menudo causada por anomalías en la impronta genómica materna de una región en el cromosoma 11. [ cita necesaria ]
La proteína 2 de unión a metil CpG ( MeCP2 ) es un regulador transcripcional que debe fosforilarse antes de liberarse del promotor BDNF , lo que permite la transcripción. El síndrome de Rett se debe a mutaciones en el gen MeCP2 a pesar de que no se encontraron cambios a gran escala en la expresión de MeCP2 en los análisis de microarrays. El BDNF está regulado a la baja en el mutante MECP2, lo que da como resultado el síndrome de Rett, así como el aumento de la senescencia neuronal temprana y la acumulación de ADN dañado. [207]
En el estudio de Överkalix , los nietos paternos (pero no maternos) [208] de hombres suecos que estuvieron expuestos durante la preadolescencia a la hambruna en el siglo XIX tenían menos probabilidades de morir de enfermedades cardiovasculares. Si la comida era abundante, entonces la mortalidad por diabetes en los nietos aumentaba, lo que sugiere que se trataba de una herencia epigenética transgeneracional. [209] Se observó el efecto opuesto en el caso de las mujeres: las nietas paternas (pero no maternas) de mujeres que experimentaron hambruna mientras estaban en el útero (y, por lo tanto, mientras se formaban sus óvulos) vivieron vidas más cortas en promedio. [210]
Las modificaciones epigenéticas han permitido comprender mejor la fisiopatología de diferentes enfermedades. Aunque están fuertemente asociados con el cáncer, su papel en otras condiciones patológicas es de igual importancia. Parece que el entorno hiperglucémico podría imprimir tales cambios a nivel genómico, que los macrófagos están preparados para un estado proinflamatorio y podrían no mostrar ninguna alteración fenotípica hacia el tipo procuración. Este fenómeno de polarización alterada de los macrófagos se asocia principalmente con todas las complicaciones diabéticas en un entorno clínico. A partir de 2018, varios informes revelan la relevancia de diferentes modificaciones epigenéticas con respecto a las complicaciones de la diabetes. Tarde o temprano, con los avances en las herramientas biomédicas, la detección de dichos biomarcadores como herramientas de pronóstico y diagnóstico en pacientes podría surgir como enfoques alternativos. Cabe mencionar aquí que el uso de modificaciones epigenéticas como objetivos terapéuticos justifica una evaluación preclínica y clínica exhaustiva antes de su uso. [211]
El uso de antibióticos betalactámicos puede alterar la actividad del receptor de glutamato y la acción de la ciclosporina sobre múltiples factores de transcripción. Además, el litio puede afectar la autofagia de proteínas aberrantes, y los fármacos opioides mediante el uso crónico pueden aumentar la expresión de genes asociados con fenotipos adictivos. [212]
En un informe innovador de 2003, Caspi y sus colegas demostraron que en una cohorte sólida de más de mil sujetos evaluados varias veces desde el preescolar hasta la edad adulta, los sujetos que portaban una o dos copias del alelo corto del polimorfismo promotor del transportador de serotonina exhibieron tasas más altas de depresión y tendencias suicidas en adultos cuando se exponen a maltrato infantil en comparación con homocigotos de alelo largo con igual exposición a ELS. [213]
La nutrición de los padres , la exposición en el útero al estrés o a sustancias químicas disruptivas endocrinas , [214] los efectos maternos inducidos por los hombres, como la atracción por la calidad diferencial de la pareja, y la edad materna y paterna, y el sexo de la descendencia, posiblemente podrían influir en si se produce una epimutación de la línea germinal. expresa en última instancia en la descendencia y el grado en que la herencia intergeneracional permanece estable a lo largo de la posteridad. [215] Sin embargo, aún no está claro si los efectos epigenéticos pueden transmitirse entre generaciones y en qué medida, particularmente en humanos. [216] [217]
La adicción es un trastorno del sistema de recompensa del cerebro que surge a través de mecanismos transcripcionales y neuroepigenéticos y ocurre con el tiempo debido a niveles crónicamente altos de exposición a un estímulo adictivo (p. ej., morfina, cocaína, relaciones sexuales, juegos de azar, etc.). [218] [219] [220] [221] En estudios preclínicos se ha observado que se produce herencia epigenética transgeneracional de fenotipos adictivos. [222] [223] Sin embargo, aún no se ha establecido en humanos evidencia sólida que respalde la persistencia de efectos epigenéticos a través de múltiples generaciones; por ejemplo, un efecto epigenético de la exposición prenatal al tabaquismo que se observa en bisnietos que no habían estado expuestos. [216]
En un estudio preclínico también se ha informado sobre la herencia epigenética de fenotipos relacionados con la depresión. [224] La herencia de rasgos inducidos por el estrés paterno a través de generaciones implicó pequeñas señales de ARN no codificantes transmitidas a través de la línea germinal paterna. [ cita necesaria ]
Un trabajo reciente había demostrado que el SARS-CoV-2 altera notablemente la regulación epigenética de la célula huésped. Según el estudio, las proteínas virales amortiguan las respuestas antivirales al imitar regiones críticas de las proteínas histonas humanas. El artículo demostró que la proteína SARS-CoV-2 codificada por ORF8 (ORF8) funciona como una histona que imita los motivos ARKS en la histona H3 para alterar la regulación epigenética de la célula huésped. El mimetismo de histonas permite a los virus alterar la capacidad de la célula huésped para regular la expresión genética y responder a la infección de forma eficaz. El descubrimiento podría tener implicaciones para el tratamiento de la COVID-19, ya que el SARS-CoV-2, al carecer de ORF8, se asocia con una menor gravedad de la COVID-19. [225]
Las dos formas de información heredable, a saber, la genética y la epigenética, se denominan colectivamente herencia dual. Los miembros de la familia APOBEC/AID de citosina desaminasas pueden influir simultáneamente en la herencia genética y epigenética utilizando mecanismos moleculares similares, y pueden ser un punto de interconexión entre estos procesos conceptualmente compartimentados. [226]
Los antibióticos fluoroquinolonas inducen cambios epigenéticos en células de mamíferos mediante la quelación del hierro . Esto conduce a efectos epigenéticos mediante la inhibición de dioxigenasas dependientes de α-cetoglutarato que requieren hierro como cofactor. [227]
Se aplican varios agentes farmacológicos para la producción de células madre pluripotentes inducidas (iPSC) o para mantener el fenotípico de las células madre embrionarias (ESC) mediante un enfoque epigenético. Las células madre adultas, como las células madre de la médula ósea, también han mostrado potencial para diferenciarse en células cardíacas competentes cuando se tratan con el inhibidor de la histona metiltransferasa G9a BIX01294. [228] [229]
La plasticidad celular, que es la adaptación de las células a estímulos sin cambios en su código genético, requiere cambios epigenéticos. Estos se han observado en la plasticidad celular de las células cancerosas durante la transición epitelial a mesenquimatosa [230] y también en células inmunitarias, como los macrófagos. [231] Curiosamente, los cambios metabólicos subyacen a estas adaptaciones, ya que varios metabolitos desempeñan funciones cruciales en la química de las marcas epigenéticas. Esto incluye, por ejemplo, el alfa-cetoglutarato, que se requiere para la desmetilación de histonas, y la acetil-coenzima A, que se requiere para la acetilación de histonas.
La regulación epigenética de la expresión génica que podría alterarse o usarse en la edición del epigenoma incluye o incluye la modificación de ARNm/ARNc, la modificación de la metilación del ADN y la modificación de histonas . [232] [233] [234]
La metilación es un mecanismo de regulación genética ampliamente caracterizado que puede determinar rasgos biológicos. Sin embargo, fuertes evidencias experimentales correlacionan los patrones de metilación en los SNP como una característica adicional importante para el dogma epigenético clásico de activación/inhibición. Los datos de interacción molecular, respaldados por análisis de colocalización, identifican múltiples vías reguladoras nucleares, vinculando la variación de secuencia con alteraciones en la metilación del ADN y la variación molecular y fenotípica. [235]
UBASH3B codifica una proteína con actividad tirosina fosfatasa, que previamente se ha relacionado con neoplasia avanzada. [236] Se identificó que el SNP rs7115089 influye en la metilación del ADN y la expresión de este locus, así como en el índice de masa corporal (IMC). [235] De hecho, el SNP rs7115089 está fuertemente asociado con el IMC [237] y con variantes genéticas relacionadas con otros rasgos cardiovasculares y metabólicos en los GWAS. [238] [239] [240] Nuevos estudios que sugieren que UBASH3B es un posible mediador de la adiposidad y la enfermedad cardiometabólica. [235] Además, los modelos animales demostraron que la expresión de UBASH3B es un indicador de restricción calórica que puede impulsar la susceptibilidad programada a la obesidad y está asociada con otras medidas de adiposidad en la sangre periférica humana. [241]
SNP rs730775 está ubicado en el primer intrón de NFKBIE y es un eQTL cis para NFKBIE en sangre completa. [235] El inhibidor del factor nuclear (NF)-κB ε (NFKBIE) inhibe directamente la actividad de NF-κB1 y se coexpresa significativamente con NF-κB1; además, está asociado con la artritis reumatoide. [242] El análisis de colocalización respalda que las variantes para la mayoría de los sitios CpG en el SNP rs730775 causan una variación genética en el locus NFKBIE que se puede vincular a la artritis reumatoide a través de la regulación de acción trans de la metilación del ADN por NF-κB. [235]
La ácido graso desaturasa 1 (FADS1) es una enzima clave en el metabolismo de los ácidos grasos. [243] Además, rs174548 en el gen FADS1 muestra una mayor correlación con la metilación del ADN en personas con una gran abundancia de células T CD8+. [235] El SNP rs174548 está fuertemente asociado con concentraciones de ácido araquidónico y otros metabolitos en el metabolismo de los ácidos grasos, [244] [245] recuentos de eosinófilos en sangre. [246] y enfermedades inflamatorias como el asma. [247] Los resultados de la interacción indicaron una correlación entre rs174548 y el asma, lo que proporcionó nuevos conocimientos sobre el metabolismo de los ácidos grasos en las células T CD8+ con fenotipos inmunes. [235]
Como la epigenética se encuentra en las primeras etapas de desarrollo como ciencia y está rodeada de sensacionalismo en los medios públicos, David Gorski y el genetista Adam Rutherford han aconsejado precaución contra la proliferación de conclusiones falsas y pseudocientíficas por parte de autores de la nueva era que hacen sugerencias infundadas de que los genes de una persona y la salud puede ser manipulada mediante el control mental . El mal uso del término científico por parte de curanderos ha producido desinformación entre el público en general. [2] [248]
En el sentido original de esta definición, la epigenética se refería a todas las vías moleculares que modulan la expresión de un genotipo en un fenotipo particular. En los años siguientes, con el rápido crecimiento de la genética, el significado de la palabra se fue reduciendo gradualmente. La epigenética se ha definido y hoy en día se acepta generalmente como "el estudio de los cambios en la función genética que son hereditarios mitótica y/o meióticamente y que no implican un cambio en la secuencia del ADN".
{{cite book}}: Mantenimiento CS1: falta el editor de la ubicación ( enlace )Esto podría sugerir que las células vegetales no utilizan ni requieren un mecanismo de memoria celular y solo responden a información posicional. Sin embargo, se ha demostrado que las plantas sí utilizan mecanismos de memoria celular mediados por proteínas PcG en varios procesos,... (p. 104)
Conclusiones
ΔFosB es un factor de transcripción esencial implicado en las vías moleculares y conductuales de la adicción tras la exposición repetida a drogas. Se comprende bien la formación de ΔFosB en múltiples regiones del cerebro y la vía molecular que conduce a la formación de complejos AP-1. El establecimiento de un propósito funcional para ΔFosB ha permitido una mayor determinación de algunos de los aspectos clave de sus cascadas moleculares, que involucran efectores como GluR2 (87,88), Cdk5 (93) y NFkB (100). Además, muchos de estos cambios moleculares identificados ahora están directamente relacionados con los cambios estructurales, fisiológicos y de comportamiento observados después de la exposición crónica a las drogas (60,95,97,102). Los estudios epigenéticos han abierto nuevas fronteras en la investigación de las funciones moleculares de ΔFosB, y los avances recientes han ilustrado el papel de ΔFosB que actúa sobre el ADN y las histonas, verdaderamente como un
interruptor molecular
(34). Como consecuencia de nuestra mejor comprensión de ΔFosB en la adicción, es posible evaluar el potencial adictivo de los medicamentos actuales (119), así como utilizarlo como biomarcador para evaluar la eficacia de las intervenciones terapéuticas (121,122,124). Algunas de estas intervenciones propuestas tienen limitaciones (125) o están en su infancia (75). Sin embargo, se espera que algunos de estos hallazgos preliminares puedan conducir a tratamientos innovadores, muy necesarios en la adicción.
Por estos motivos, ΔFosB se considera un factor de transcripción primario y causante en la creación de nuevas conexiones neuronales en el centro de recompensa, la corteza prefrontal y otras regiones del sistema límbico. Esto se refleja en el nivel aumentado, estable y duradero de sensibilidad a la cocaína y otras drogas, y en la tendencia a recaer incluso después de largos períodos de abstinencia. Estas redes recién construidas funcionan de manera muy eficiente a través de nuevas vías tan pronto como se siguen consumiendo drogas... De esta manera, la inducción de la expresión del gen CDK5 ocurre junto con la supresión del gen G9A que codifica la dimetiltransferasa que actúa sobre la histona H3. Se puede observar un mecanismo de retroalimentación en la regulación de estos 2 factores cruciales que determinan la respuesta epigenética adaptativa a la cocaína. Esto depende de que ΔFosB inhiba la expresión del gen G9a, es decir, la síntesis de H3K9me2, que a su vez inhibe los factores de transcripción de ΔFosB. Por este motivo, la hiperexpresión observada de G9a, que asegura niveles elevados de la forma dimetilada de la histona H3, elimina los efectos estructurales y de plasticidad neuronal provocados por la cocaína mediante esta retroalimentación que bloquea la transcripción de ΔFosB.
