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Revista Nº 50 Marzo - Abril 2013

Sumario Editorial Diagnstico Bioqumico Investigacin Entrevista Gacetilla Agenda Arte Bioagenda

Investigacin


Epigentica: definicin, bases moleculares e implicaciones en la salud y en la evolucin humana

Autor: Reggie Garca Robles, PhD (1), Paola Andrea Ayala Ramrez, Bac (2), Sandra Paola Perdomo Velsquez B. Sc, PhD, Post Doc (1) 1 Instituto de Nutricin, Gentica y Metabolismo, Universidad El Bosque, Bogot. 2 Instituto de Gentica Humana, Pontificia Unive

Introduccin

Concepto

El trmino Epigentica fue acuado en la dcada del cincuenta para describir el mecanismo por el cual los organismos multicelulares desarrollan mltiples tejidos diferentes a partir de un nico genoma. En la actualidad reconocemos que este proceso se logra mediante marcas moleculares detectables; dichas marcas generan modificaciones que afectan la actividad transcripcional de los genes y una vez establecidas son relativamente estables en las siguientes generaciones (1). El uso actual del trmino consiste en indicar cambios heredables en la estructura y organizacin del ADN que no involucran cambios en la secuencia y que modulan la expresin gnica. Estos cambios en la expresin gnica implican, entonces, cambios heredables en el fenotipo (1-3). Los mecanismos tradicionales de regulacin epigentica incluyen metilacin del ADN y modificaciones de histonas, entendiendo a estas protenas como las encargadas de empaquetar el ADN y considerando que los dos tipos de mecanismos participan en la modulacin de los complejos remo-deladores de la cromatina (1-2). En esta revisin abordaremos los mecanismos tradicionales de la regulacin epigentica descritos anteriormente (2).

Bases biolgicas

Las modificaciones de la cromatina en mamferos ocurren en dos mbitos distintos: metilacin del ADN y modificaciones de histonas. En eucariotas el ADN es empaquetado como cromatina en el ncleo y posteriormente es organizada en dos reas estructurales diferentes llamadas heterocromatina silenciosa y eucromatina activa. La heterocromatina corresponde a la mayor parte del material nuclear e incluye los telmeros y regiones pericentromricas; estas regiones tienden a ser ricas en secuencias repetitivas y a tener un bajo contenido gnico (4). El resto del genoma est formando eucromatina, es transcripcionalmente activo y contiene la mayora de los genes. Las unidades bsicas de la cromatina son los nucleosomas, que en los seres humanos consisten en 147pb envueltos alrededor de un octmero de histonas. Dos histonas H2A, H2B, H3 y H4 forman el ncleo de histonas en un nucleosoma. Estas histonas tienen un dominio carboxiloterminal globular y una cola aminoterminal no estructurada (5). Se ha descrito una variedad importante de modificaciones en estas colas. Las modificaciones de las histonas incluyen metilacin en los residuos de lisina y arginina, acetilacin en residuos de lisina, ubiquitinacin y sumoilacin de lisinas y fosforilacin de serinas y treoninas. Aunque el significado de estas modificaciones an no ha sido comprendido por completo, la acetilacin y metilacin de residuos de lisina son marcas moduladoras clave para la activacin o represin transcripcional (5-6) (Figura 1).

Las diferentes modificaciones en el ADN (metilacin, M) y en las histonas (por ejemplo, acetilacin, A) dirigen a cambios en la condensacin de la cromatina que regulan el ingreso de la maquinaria transcripcional y por lo tanto la expresin gnica. Aunque se desconocen cules cambios ocurren primero, es claro que las diferentes marcas epigenticas interactan entre s. Los mecanismos por los cuales las modificaciones epigenticas son mantenidas y propagadas en las divisiones celulares sucesivas no han sido bien dilucidados; sin embargo, es claro que en los mamferos complejos dichos mecanismos parecen ser dinmicos y reversibles mediante eventos coordinados en su desarrollo y pueden sufrir cambios especficos durante varios procesos celulares importantes, como progresin del ciclo celular y diferenciacin (3-4). La metilacin del ADN ocurre por modificacin covalente del quinto carbono (C5) en la citosina y la mayora se presenta en dinucletidos CpG en el genoma (Figura 1). Los dinucletidos CpG parecen estar distribuidos heterogneamente en el genoma humano, pero estn concentrados en sitios llamados islas CpG (7), que son regiones de ADN genmico con una frecuencia elevada de dinucletidos CpG. Tpicamente una isla CpG tiene al menos 200pb con ms de 50% de contenido de guaninas y citosinas y una razn observada/esperada de CG mayor de 60%. Estas regiones se solapan con regiones promotoras en 50-60% de los genes en humanos. Se ha estimado que la 5-metil citosina es aproximadamente 1% del total de bases nitrogenadas del ADN y representa de 70 a 80% del total de dinucletidos CpG en el genoma (8). Se han descrito familias de enzimas que pueden metilar el ADN; estas enzimas son denominadas DNA metiltransferasas (DNMT) y varias de ellas han sido identificadas y clasificadas en dos grupos segn la preferencia por un sustrato y la funcin resultante. DNMT3A y DNMT3B son metiltransferasas de novo, responsables de establecer el patrn de metilacin de citosinas en el ADN no metilado y es posible que tambin tengan actividad demetilasa de ADN (9-10). La metilacin global de novo ocurre durante la embriognesis, cuando las marcas de metilacin del ADN son restablecidas despus de la demetilacin genmica para la reprogramacin epigentica. Una vez establecida, los patrones de metilacin del ADN debern ser mantenidos de forma estable por medio de las divisiones celulares. Esta funcin de mantenimiento es lograda por la DNMT1 debido a su preferencia por ADN hemimetilado y su asociacin estable con el ADN recin replicado, de tal manera que copia los patrones de metilacin de las hebras parentales en las hebras recin sintetizadas durante la replicacin del ADN (4, 11). Recientemente se identific un mecanismo autoinhibitorio en el que los dinucletidos CpG no metilados no interactan con el sitio activo de la DNMT1 para garantizar que solo los dinucletidos CpG hemimetilados sean metilados (12). La metilacin de las citosinas en los mamferos es un proceso bien conservado en las divisiones celulares y la falla para mantener la informacin epigentica correcta conlleva conse-cuencias graves para la clula, como expresin gnica anormal y apoptosis, mecanismos asociados con cncer (4, 11, 13).

En general se considera que el patrn de metilacin del genoma en clulas somticas diferenciadas es estable y heredable; pese a esto, se ha documentado reprogramacin de los patrones de metilacin durante los estadios del desarrollo en clulas germinales y embriones en etapa de preimplantacin (14). Las clulas germinales primordiales sufren una demetilacin genmica, mientras las clulas germinales maduras estn hipermetiladas en comparacin con las clulas somticas (15-16). Se ha estimado que entre 6 y 8% de islas CpG estn metiladas en el ADN genmico del cerebro, de la sangre, del msculo y del bazo (17), observando adems metilacin de islas CpG tejido especfica para genes importantes en el desarrollo, lo que sugiere un mecanismo programado de metilacin del ADN (4). Aunque la mayora de CpG en el genoma est metilada, los dinucletidos CpG ubicados en islas CpG cerca a promotores estn tpicamente no metilados durante el desarrollo y en tejidos normales. Sin embargo, un grupo de islas CpG en regiones promotoras est metilado de manera tejido especfica durante el desarrollo, adems de las islas CpG metiladas en procesos de inactivacin del cromosoma X e impronta gentica en tejidos normales (4). Se ha descrito el evento de propagacin de la metilacin del ADN que inicia poco despus de la fertilizacin posterior a la demetilacin genmica. La remetilacin de la mayora de los genes ocurre despus del estadio de blastocisto y contina ms lentamente durante el resto del desarrollo embrionario y fetal (18). Este fenmeno de dispersin no ha sido completamente comprendido, pero se cree que existe una interaccin entre la modificacin de las histonas y metilacin del ADN. Tal parece que la metilacin del ADN o las modificaciones de histonas podran atraer complejos represivos y generar una conformacin de la cromatina que impide la actividad transcripcional (4). Esta alteracin en la estructura de la cromatina influye a su vez en la cromatina cercana y la hace ms sensible a la difusin de la metilacin. Existe evidencia sobre los elementos dispersos en el genoma que actuando en CIS podran comportarse como seales de metilacin o limitar la metilacin durante la extensin de la misma (19). Tambin se ha descrito sobrerrepresen-tacin de sitios de unin a elementos con dedos de zinc en los lmites de islas CpG resistentes a la metilacin, lo que sugiere que estos sitios podran reforzar la unin del factor de transcripcin promoviendo la actividad transcripcional e igualmente bloquear la extensin de la metilacin. Es probable que un equilibrio dinmico entre la extensin de la metilacin y su suspensin sea responsable de establecer y mantener la estabilidad de los patrones de metilacin del ADN en clulas somticas (4).

A la par con la metilacin del ADN, la acetilacin y la metilacin de histonas son las marcas epigenticas mejor carac-terizadas. La metilacin de diferentes residuos de lisinas y argininas en las histonas puede dirigir a condensacin de la cromatina y silenciamiento gnico o a descondesacin de la cromatina y actividad transcripcional; estos procesos son regulados por las enzimas histona metiltransferasas (HMT) e histona demetilasas (HDM) (3-4). La eucromatina es caracterizada por un alto nivel de acetilacin de histonas, proceso mediado por las histonas acetiltransferasas (HAT). De manera contraria, las histonas deacetilasas (HDAC) son capaces de remover esta marca epigentica y generar represin trans-cripcional. Tal parece que los procesos de metilacin y acetilacin de histonas se refuerzan y se regulan el uno al otro (3). Las modificaciones en las histonas afectan la estructura de la cromatina mediante la relacin entre diferentes modificaciones en histonas y entre estas y las modificaciones en el ADN. Las modificaciones epigenticas, como acetilacin, fosforilacin, metilacin, ubiquitinacin y ADP ribosilacin de los altamente conservados ncleos de las histonas, influyen en el potencial de expresin gentica del ADN al modificar la accesibilidad que tiene la maquinaria transcripcional a este (3-4). Entre los diferentes tipos de modificaciones de histonas, la metilacin de residuos especficos de lisina en los extremos aminoterminales de las histonas son fundamentales para la formacin de dominios funcionales de cromatina, como eucromatina y heterocromatina facultativa y constitutiva (3). La acetilacin-deacetilacin de lisinas se correlaciona con accesibilidad de la cromatina y transcripcin, mientras que el efecto de la metilacin de lisinas depende del nmero de grupos metilo y posicin de los residuos de lisina (4). Las modificaciones epigenticas especficas no estn aleatoriamente distribuidas en el ncleo interfsico, por lo que es probable que las modificaciones de las histonas participen en la compartimentacin nuclear de la cromatina en diferentes dominios con diferencias en su actividad transcripcional (3). La distribucin de la cromatina en territorios en el ncleo interfsico tiene consecuencias funcionales en la regulacin de la expresin gnica. En general, se considera que las regiones de cromatina ricas en genes ocupan la porcin interior en el ncleo interfsico y las regiones pobres en genes se localizan en la periferia nuclear. Por su parte, los genes transcripcional-mente activos tienden a localizarse ms cerca del interior nuclear que los genes transcripcionalmente inactivos. Las diferentes observaciones de la organizacin del ADN en el ncleo apuntan a que la densidad gnica local y la actividad transcripcional de los genes influyen ms que las actividades individuales de los genes en la organizacin de la cromatina en el ncleo interfsico. La capacidad de las histonas para determinar el medio ambiente de la cromatina le permite regular procesos nucleares como replicacin, transcripcin, reparacin del ADN y condensacin cromosmica (3-4).

En contraste con la cantidad de conocimiento sobre los procesos de acetilacin y metilacin de histonas, es poco lo que se sabe sobre las otras modifi-caciones como fosforilacin y ubiquiti-nacin. Los estudios respecto a estas modificaciones de histonas son relati-vamente escasos, a pesar de que desempean un papel importante en la transcripcin, reparacin del ADN, induccin de la apoptosis y condensacin cromosmica (3).

Asimismo, existe fuerte evidencia sobre la heredabilidad de las modifi-caciones de histonas en organismos multicelulares, cuyos mecanismos parecen ser ms complejos que los de la metilacin del ADN debido a que puede ser un proceso independiente de la replicacin y adems hay evidencia de participacin de ARN no codificante en la maquinaria de modifi-cacin (4)
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