jueves, 27 de junio de 2019

Epigenética, más allá de la información genética


Epigenética significa, literalmente, “además de la genética”. Uno de los efectos característicos de esta epigenética es el PEV (position-effect variegation) que se da en Drosophila y levaduras, además de en otras muchas especies.

Epigenetica y biologia

La variegación es la presencia de un distinto fenotipo en un mismo organismo o tipo celular. Por ejemplo, en Drosophila el color del ojo silvestre es rojo, el cual se encuentra determinado por un gen. Un mutante de este gen presenta un fenotipo con el ojo de color blanco. Se observó que, si se realizaba mutagénesis por rayos X se daba variegación en el ojo, donde la mosca presentaba zonas blancas y zonas rojas, aunque el silvestre dominara sobre el blanco.

- La epigenética y la condensación de la cromatina


Durante la fecundación y el desarrollo, con una única información genética (procedente de la recombinación del óvulo y el espermatozoide) se obtienen 200 tipos celulares diferentes, los cuales presentan un “fenotipo” y un patrón diferente de expresión. Aunque todos presenta el mismo material genético, existe un equilibrio entre el ADN que se encuentra empaquetado y el desempaquetado (heterocromatina y eucromatina), lo que permite la expresión diferencial de genes.

El ADN en la célula, que generalmente se encuentra en interfase, se encuentra medianamente empaquetado para poder ser expresado en algunos puntos. Solo en la metafase el ADN se condensa hasta cromosomas, ya que en ese estado no puede ser leído ni expresado.

Así, el ADN se empaqueta en unas fibras de 11nm gracias a los nucleosomas, elementos formados por 8 histonas (2xH3, 2xH4, 2xH2a y 2xH2b). Estas fibras pueden enrollarse sobre sí mismas, formando espirales (solenoides) de 30nm. Estas espirales se empaquetan, formando unas fibras de 300nm gracias a proteínas no histónicas y a la matriz nuclear. Por último, esta fibra de 300nm puede empaquetarse aún más, dando lugar a los brazos de los cromosomas (700nm).

Este genoma celular debe empaquetarse de forma ordenada para que la célula pueda encontrar los genes de forma sencilla cuando sean necesarios. El humano, solo el 4% son genes, y 96% restante son repeticiones y regiones no codificantes. En todos los genomas hay zonas ricas en genes y otras pobres en genes (alrededor de los centrómeros). Las zonas más pobres en genes son las que se encuentran silenciadas por empaquetamiento (heterocromatina) y otras zonas más ricas en genes menos empaquetadas (eucromatina).

- Las histonas y la regulación de la transcripción


Las histonas son proteínas globulares que tienen una cola N-terminal que permite una modificación post-traduccional mediante varios mecanismos. Las histonas son ricas en lisinas y argininas, lo que les confiere una carga positiva. Estas colas N-terminales no presentan estructura secundaria, por lo que se quedan sobresaliendo del nucleosoma.

Las lisinas se pueden acetilar, lo que disminuye su carga positiva y debilita su interacción con el DNA, disminuyendo el empaquetamiento y permitiendo su lectura y expresión. Existen también otras modificaciones que permiten aumentar o disminuir el grado de empaquetamiento dependiendo de la necesidad de la célula.

No todos los aminoácidos sufren la misma modificación, e incluso algunos mismos aminoácidos pueden sufrir diferentes modificaciones dependiendo del lugar en el que se encuentren.

Cuando un gen se va a transcribir, sus histonas deben tener las lisinas acetiladas de la cola N-terminal de H3 y H4 además de la lisina 4 de H3 metilada (H3K4me). Por otro lado, cuando un gen se encuentra silenciado, la acetilación de las lisinas de la cola N-terminal de H3 y H4 debe perderse, así como la lisina 9 de H3 debe encontrarse metilada (H3K9me2). A este silenciamiento se le suma la metilación del ADN como refuerzo.

Esta serie de modificaciones son posibles porque existen una serie de enzimas, llamadas writers, que son capaces de añadir grupos a las colas N-terminales de las histonas. Cada enzima se encarga de una modificación concreta en un aminoácido determinado de la cola. Existe una comunicación entre las modificaciones de las histonas para que las enzimas sepan qué deben metilar.

Al metilar o acetilar los aminoácidos se generan señales que atraen a una serie de modificadores que empaquetan o desempaquetan el ADN. Estos modificadores son la acetiltransferasa de histonas o HAT (desempaquetamiento de ADN) y la deacetilasa de histonas o HDAC (represión o empaquetamiento de ADN).

La mayoría de los activadores de la transcripción (60-70%) activan y atraen a HAT, que desempaqueta el material genético y permite la transcripción. Los represores, por su parte, atraen a HDAC y empaquetan el material genético. Los genes tienen regiones que permiten una serie de modificaciones activadoras o represoras dependiendo del gen. Incluso algunos tienen dominios bivalentes que, dependiendo de la modificación, activan o reprimen la transcripción.


- La metilación del ADN


En eucariotas (excepto levaduras), en el DNA siempre se metilan las citosinas, pasando a 5’- metilcitosina (5meC). Esto lo hace en mamíferos la DNA metiltransferasa (DNMT). Esta metilación no tiene ningún efecto sobre su apareamiento con la guanina, aunque marca el DNA.

Tras la replicación, el DNA queda hemimetilado (una hebra metilada procedente de la madre, la otra no). Para esto, la célula posee DNA metiltransferasas de mantenimiento que se encargan de metilar el DNA tras la replicación fijándose en la cadena metilada.

Por otro lado, en el desarrollo embrionario, el DNA se metila de novo ya que, tras la fecundación, el espermatozoide y el óvulo tienen que perder sus marcas de metilación para poder dar lugar a células totipotentes. Entonces aparecen metiltransferasas de novo que se encargan de metilar el ADN principalmente durante el desarrollo embrionario.

En la célula existe una comunicación entre las histonas y el DNA metilado. Cuando el DNA se encuentra metilado, las histonas adyacentes reconocen con una enzima esta metilación y metilan en H3K9me (marca de empaquetamiento). Existe tanto en mamíferos como en plantas.

En mamíferos existe una enzima que reconoce CpG que reconoce el DNA metilado y se une a él, impidiendo la transcripción y atrayendo represores como HDAC y HKMT (modificando el DNA y las histonas). Existe una tendencia de los dinucleótidos CpG a agruparse en regiones conocidas como islas CpG (región de unas 200pb con un contenido C+G > 50%). El 60% de los promotores humanos están asociados a islas CpG, aunque el 94% de estas islas CpG asociadas a promotores NO están metiladas y las histonas que las empaquetan poseen marcas activadoras de la transcripción.

En muchos tipos de cáncer el problema es que se desrregula el supresor tumoral, metilándose e impidiendo su expresión, aunque el genotipo sea sano/silvestre. Un ejemplo son algunos tipos de cáncer de colon, los cuales presentan mutaciones en la cromatina, hipometilando las histonas e hipermetilando las islas CpG.


- RNA no codificante que actúa sobre la cromatina


En plantas existen polimerasas especiales que expresan las regiones intergénicas, las cuales generan pequeños RNA que se unen al DNA y atraen enzimas que lo metilan de novo. Gran parte del genoma que tiene que silenciarse posee promotores inversos que, al expresarse, dan lugar a RNA de doble cadena que dispara mecanismos de silenciamiento. En levaduras, por ejemplo, estos RNA de doble cadena realizan en las histonas el cambio H3K9me (empaquetamiento).

- Variantes histónicas y sus características


Existen variantes que sustituyen a las otras histonas en el nucleosoma, aunque representan una fracción minoritaria del total de histonas del organismo. Poseen su propio patrón de modificaciones químicas, y su substitución ocurre dependiente o independientemente de la replicación del DNA. Estos cambios de histonas desencadenan cambios sobre la cromatina.

Los centrómeros, por ejemplo, tienen esa “cintura” porque en esa zona se concentra mucho la heterocromatina. Existen secuencias de centrómeros que determinan el lugar donde se formará dicho centrómero. No se parecen entre especies, pero todas son ricas en repeticiones y transposones (ya que deben estar más silenciados). Lo que determina que en esa zona del cromosoma se forme el centrómero es que los nucleosomas poseen la variante CenpA en vez de H3, lo que atrae a un complejo proteico grande llamado quinetocoro (o cinetocoro).

Otro ejemplo de los cambios que generan estas variantes lo ofrece H2A.Z, el cual aumenta la expresión de los genes de pluripotencia, incrementando el acceso al DNA en esas zonas. La pérdida de la histona H2A.Z reduce la dinámica de la cromatina, disminuyendo la expresión de estos genes de pluripotencia.


- ¿Qué es el epigenoma?


El epigenoma es el conjunto de modificaciones en la cromatina que tienen la célula y que determina su fenotipo. Cada tipo celular tiene un epigenoma distinto, pero todos tienen el mismo genoma.

La epigenética es el área de la genética que estudia los cambios mitótica o meióticamente heredables de la expresión génica, que ocurren sin que se produzcan cambios en la secuencia del DNA (genoma).

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Artículo redactado por Pablo Rodríguez Ortíz, Graduado en Biología por la Universidad de Málaga.