Regulación Epigenética

Descripción General

Definición

La modificación epigenética es una modificación al ADN o al empaquetamiento del ADN que afecta la expresión génica sin alterar el código genético (i.e., secuencia del ADN) en sí.

Estas modificaciones:

• Controlan qué regiones de ADN están disponibles para la transcripción
• Son típicamente reversibles
• Pueden ser influenciadas por factores ambientales
• Son hereditarias (i.e., los patrones epigenéticos se conservan durante la división celular)

Descripción general de la regulación epigenética

• Factores epigenéticos:
  • Cambiar fenotipo sin cambiar genotipo
  • Pueden influir en cómo se expresan los genes a diferentes edades
  • Contribuyen significativamente a la expresión génica diferencial en diferentes tejidos
• Las modificaciones epigenéticas incluyen modificaciones:
  • Directamente al ADN (e.g., metilación del ADN)
  • A las proteínas de unión al ADN (e.g., modificación de histonas)
  • A estructuras de cromatina de orden superior
• La regulación epigenética juega un papel en:
  • Diferenciación celular
  • Inactivación del cromosoma X en mujeres
  • Procesos de enfermedad:
    • Trastornos de impronta: síndrome de Prader-Willi, síndrome de Angelman
    • Cáncer
  • Adaptaciones al medio ambiente, incluyendo:
    • Estrés
    • Inanición u obesidad
    • Exposición a toxinas, contaminación y/o sustancias químicas disruptivas endocrinas

Revisión del empaquetamiento del ADN en la cromatina

La unidad básica del empaquetamiento del ADN es el nucleosoma. El ADN se envuelve 2¼ veces alrededor de un núcleo de 8 proteínas histonas, formando un nucleosoma.

• Nucleosomas:
  • El núcleo de histonas está formado por 2 de cada una de las siguientes histonas: H2A, H2B, H3 y H4.
  • H1 es una 9na histona y se encuentra justo fuera del nucleosoma.
  • Hay aproximadamente 146 pares de bases de ADN asociadas con cada nucleosoma.
  • Hay aproximadamente 20–60 pares de bases de ADN libre entre los nucleosomas.
  • Los nucleosomas aparecen como cuentas en una cadena de ADN
• Estructura secundaria de la cromatina:
  • Modelo de solenoide: una configuración en espiral de nucleosomas con 6 nucleosomas por vuelta
  • Modelo en zigzag: una configuración más irregular de nucleosomas empaquetados
• Mayor compactación de la cromatina:
  • Las estructuras secundarias se enrollan y estas bobinas se superenrollan.
  • La cromatina se condensa en cromosomas completos durante la división celular.
• Eucromatina versus heterocromatina:
  • Eucromatina: cromatina que está disponible para la transcripción (ADN desenrollado o enrollado libremente)
  • Heterocromatina: cromatina que no está disponible para la transcripción porque está enrollada apretadamente

Modificaciones Epigenéticas

Las formas más importantes de modificación epigenética incluyen la metilación directa del ADN, modificaciones de las proteínas histonas y otras modificaciones de la cromatina.

Metilación del ADN

• Los grupos metilo se pueden agregar y eliminar del ADN.
• La metilación típicamente ocurre:
  • Sobre bases de citosina en el ADN
  • En regiones promotoras y potenciadoras de un gen
• La metilación normalmente previene la transcripción de un gen:
  • Las proteínas reguladoras se unen a las citosinas metiladas → impiden el acceso de la maquinaria de transcripción al ADN → silencian la expresión génica
  • Eliminación de grupos metilo → permite la transcripción → activa la expresión génica
• Enzimas implicadas en la metilación:
  • ADN metiltransferasas: enzimas que metilan el ADN
  • Metilcitosina dioxigenasas: enzimas que eliminan grupos metilo del ADN

Modificaciones de histonas

• La forma en que el ADN se envuelve alrededor de las proteínas histonas afecta qué genes se pueden traducir:
  • El ADN fuertemente envuelto es inaccesible para la maquinaria transcripcional.
  • Altera cómo se envuelven los genes hace que ciertos segmentos de ADN sean más o menos accesibles a la maquinaria transcripcional.
• Modificar las histonas:
  • Altera la afinidad de las histonas por el ADN
  • Puede reclutar otras proteínas que afectan la estructura de la cromatina
• El efecto de las modificaciones de las histonas (e.g., mejorar o suprimir la transcripción) depende de la combinación específica de:
  • Qué subunidades de histonas se modificaron
  • Qué aminoácidos dentro de esas subunidades se modificaron
  • Cuáles fueron las modificaciones (e.g., metilación versus acetilación)
• Las modificaciones de histonas son un tipo de modificación postraduccional de las proteínas histonas.

Tipos de modificaciones de histonas

• Metilación:
  • En general, la metilación se asocia con ADN inactivo (i.e., no transcrito).
  • Las histonas metiltransferasas agregan grupos metilo a las lisinas en la cola de las histonas.
  • Las histonas desmetilasas eliminan los grupos metilo.
• Acetilación:
  • En general, la acetilación “desempaqueta” el ADN, lo que permite la transcripción.
  • Las histonas acetiltransferasas pueden agregar grupos acetilo a las lisinas en la proteína histona.
  • Las histonas desacetilasas eliminan los grupos acetilo.
  • Estas enzimas suelen contener zinc.
• Otros tipos de modificaciones de histonas:
  • Ubiquitilación
  • Fosforilación
  • Isomerización de la prolina
  • ADP-ribosilación de ácidos glutámicos

Remodelación de cromatina

Remodelar la cromatina y/o los nucleosomas es otra forma en que la célula puede regular la expresión génica a nivel epigenético. La remodelación de la cromatina generalmente requiere energía. Los tipos de remodelación de la cromatina incluyen:

• Mover o deslizar el nucleosoma por la cadena de ADN
• Remodelando la forma del nucleosoma
• Eliminación temporal del nucleosoma
• Reemplazo de las histonas

Impronta

Descripción general

La impronta comprende las modificaciones epigenéticas específicas que ocurren en los gametos específicos del sexo (i.e., las modificaciones ocurren solo en los espermatozoides o los óvulos).

• Algunos genes se transcriben de los cromosomas de 1 de los padres, pero no del otro.
• Esta transcripción se debe a la hipermetilación del ADN (silenciamiento epigenético) de ese mismo gen en el padre opuesto.
• Implicación clínica: las deleciones de genes en estas áreas causan diferentes fenotipos en la descendencia dependiendo de si la mutación se heredó de la madre o del padre.
• El gen impreso es el gen silenciado hipermetilado.
• Ejemplos clásicos de afecciones relacionadas con genes impresos:
  • Síndrome de Prader-Willis
  • Síndrome de Angelman
• Los genes asociados con los síndromes de Prader-Willis y de Angelman, están ubicados en el cromosoma 15q11-13, pero no son exactamente los mismos genes.

Síndrome de Prader-Willi

• La región genética de Prader-Willi es:
  • Transcrita solo del cromosoma paterno
  • Hipermetilada (i.e., silenciada) en el cromosoma materno
• Las deleciones paternas en esta región dan como resultado el síndrome de Prader-Willi
• Presentación clínica:
  • Hiperfagia con obesidad de inicio temprano
  • Hipogonadismo
  • Retraso leve en el desarrollo
  • Rasgos faciales anormales
  • Baja estatura con manos y pies generalmente pequeños

Síndrome de Angelman

• La región genética de Angelman es:
  • Transcrita solo del cromosoma materno
  • Hipermetilada (i.e., silenciada) en el cromosoma paterno
• Las deleciones maternas en esta región dan como resultado el síndrome de Angelman.
• Presentación clínica: “la marioneta feliz”:
  • Microcefalia con convulsiones
  • Severos retrasos en el desarrollo
  • Función del habla al mínimo

Relevancia Clínica

• Cáncer: todos los cánceres tienen anomalías en su regulación epigenética. Además, se han descubierto algunas “firmas” epigenéticas comunes en ciertos tipos de cáncer. Los ejemplos de estas firmas incluyen la hipometilación global que conduce a la activación de oncogenes (e.g., RAS) y la metilación del ADN en las secuencias promotoras que silencian los genes supresores de tumores. Además, las mutaciones también pueden afectar otras modificaciones de histonas.
• Inhibidores de histona desacetilasa: la acetilación de histonas activa la expresión génica y las desacetilasas de histonas eliminan los grupos acetilo; por lo tanto, los inhibidores de desacetilasas de histonas terminan aumentando la expresión génica. Algunos ejemplos incluyen romidepsina, panobinostat y vorinostat, que se usan en el tratamiento de linfomas de células T. Además, el ácido valproico (un medicamento antiepiléptico) también demuestra actividad inhibidora de desacetilasas de histonas y está siendo explorado para aplicaciones más allá del control de convulsiones relacionadas con esta actividad inhibidora de desacetilasas de histonas.
• Enfermedad de Alzheimer: enfermedad neurodegenerativa que resulta en demencia. Se cree que la enfermedad de Alzheimer es el resultado de proteínas mal plegadas y/o anormalmente modificadas, incluido el péptido β-amiloide y las proteínas tau. Los factores ambientales y epigenéticos también están implicados en su patogenia, aunque aún se desconocen los mecanismos exactos. Los pacientes presentan demencia progresiva.
• Síndrome de progeria de Hutchinson–Gilford: síndrome de envejecimiento prematuro relacionado con un defecto genético raro en la laminina A, que es fundamental para estabilizar la membrana nuclear. Sin laminina A normal y funcional, la heterocromatina se vuelve muy desorganizada e inestable, y la transcripción de genes está desregulada. Los pacientes con síndrome de progeria de Hutchinson-Gilford se manifiestan con múltiples síntomas progeroides a los 2 años de edad, que incluyen retraso en el desarrollo y anomalías dermatológicas, musculoesqueléticas, neurológicas, audiológicas, oftalmológicas y cardiovasculares que limitan la vida.