Epigenetica

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EPIGENÉTICA Y CÁNCER

La epigenética es la parte de la genética que estudia los cambios "heredables" en la expresión génica (se transmiten a lo largo de las divisiones celulares o incluso de una generación a otra), que no se deben a modificaciones en la secuencia de bases de su DNA, sino a modificaciones químicas del DNA, modificaciones específicas de las histonas y las consiguientes remodelaciones en la configuración de la cromatina.

Mecanismos moleculares responsables de cambios en la conformación de la cromatina:

  • Modificaciones del DNA (metilación en los sitios C*pG)
  • Modificaciones de las histonas (metilaciones, acetilaciones, deacetilaciones, fosforilaciones y ubiquitinaciones)
  • La remodelación de la estructural/compactación de la cromatina (por complejos enzimáticos remodeladores dependientes de ATP)

Metilación del genoma humano

La metilación del genoma está restringida básicamente al carbono 5 de la citosina en sitios (dinucleótidos) CpG. La 5-metil-Citosina o 5mC es inestable y se puede desaminar espontaneamente hacia Timina por lo que hay menos sitios CpG de los teóricos. La metilación en regiones promotoras de los genes está relacionada con la falta de expresión transcripcional. Lo normal es que la mayoría de los sitios CpG estén metilados. Hay unas 29.000 regiones ricas en dinucleótidos CpG no metilados (islas CpG), frecuentemente en las regiones promotoras de los denominados genes house-keeping o constitutivos, lo que garantiza de manera permanente su configuración potencialmente activa.

Modificaciones de las histonas

En 1993 Wolffe demostró que los procesos de acetilación/deacetilación de las "colas" de histonas en aminoácidos específicos están relacionados con el control de la expresión génica a través de sus interacciones con otras proteínas reguladoras. Es decir, las histonas están implicadas en su interacción con el DNA, pero hay una parte terminal de ellas susceptible de ser acetilada, fosforilada,... por complejos enzimáticos específicos. Cuando la configuración de la cromatina es abierta, ciertos aminoácidos de estas colas de histonas, particularmente de la histona 3 (H3), están acetilados. Por el contrario, en las configuraciones más empaquetadas están deacetilados. En 1998 Adrian Bird demostró que las acetilasas de histonas actuabanen en conjunción con las metilasas de DNA, y Kouzarides en 2001 demostró que la metilación de la lisina 9 de la histona H3 atrae otras proteínas, como la HP1, para crear una conformación inactiva de la cromatina. Hoy se habla de un "código de histónas" que estaría superpuesto de alguna manera al "código genético" de tripletes de nucleótidos del DNA regulando la expresión génica.

A partir de una situación inicial "ambigua" las proteínas represoras de la transcripción podrían inducir una configuración de la cromatina cada vez más compacta e irreversible. Para ello, el primer paso suele ser una deacetilación de la lisina 9 de la histona H3, el segundo suele ser una metilación de esta lisina 9, después la metilación del DNA y finalmente la acumulación de todas las proteínas remodeladoras que requieren ATP. Este proceso puede ser finalmente irreversible, creándose una situación con "memoria celula" que será heredable á sus células hijas. Por el contrario, la acción de las proteínas activadoras de la transcripción conduciría hacia una conformación abierta de la cromatina. Tanto la demetilación del DNA como la metilación de la histona H4, la acetilación de histonas y algunas proteínas remodeladoras favorecen la cromatina abierta, y por tanto transcripcionamente activa.

Cambios epigenéticos durante la gametogénesis y la embriogénesis

Los cambios epigenéticos suceden durante la gametogénesis y la embriogénesis para hacer que el genoma paterno y el genoma materno sean diferentes de forma que ambos sean necesarios para la fecundación. Existen patrones de metilación específicos que marcan la diferencia de sexos (imprinting). Durante la fecundación se produce un proceso de demetilación o borrado, excepto una parte que no se borra nunca y va a marcar las diferencias funcionales entre el genoma paterno y materno. Este proceso llega a su máximo exponente de demetilación en el blastocito, comenzando luego un proceso de metilación específico que marca las diferencias.

Ejemplos de control epigenético durante el desarrollo:

  • Mantenimiento de linajes celulares.
  • Mecanismos de compensación de la dosis génica: mecanismo regulador para genes ligados al sexo, que iguala los niveles de la expresión génica de los genotipos XX o XY, para ello se inactivan genes del cromosoma X de la mujer por un cambio de la configuración de la cromatina en los primeros días del desarrollo. El mecanismo molecular de la inactivación depende de los genes Xist y Tsix.
  • Imprínting autosómico: hay una serie de diferencias epigenéticas que se han introducido entre el genoma materno y paterno durante la oogénesis y espermatogénesis. Se conocen más de 50 genes en el genoma del ratón afectados por el ímprinting y se supone que lo mismo ocurre en el genoma humano, aunque todavía no se han caracterizado todos.

Alteraciones epigenéticas en cáncer

Los procesos epigenéticos relacionados con el cáncer son fundamentalmente:

  • hipometilación global del genoma
  • aumento en la actividad 5metil-transferasa
  • hipermetilación de la islas CpG en promotores de genes supresores de tumores

La hipometilación tiene lugar de forma continua en el tumor benigno, afectando fundamentalmente a los promotores de regiones codificantes o secuencias repetidas que permanecían estables o silenciadas por la metilación de su ADN. Provoca inestabilidad cromosómica, un mayor indice de recombinacion meiotica, pérdida de imptínting (LOI) y activación de oncogenes (por activación de los genes cuyos promotores se hipometilan).

La hipermetilación se incrementa al ir progresando el tumor, y afecta a promotores. Cuando el promotor afectado es el de un gen supresor de tumores, se silenciará ese gen, favoreciéndose el desarrollo de cáncer; si la hipermetilacion afecta a los promotores de genes implicados en la reparación del DNA se provocaría un sileciamiento y por consiguiente un aumento en la tasa de mutaciones por acumulación de errores. Este proceso da lugar al fenotipo mutador.

Con las evidencias de cambios epigenéticos se han introducido ciertos matices al modelo de selección clonal del cáncer. Se combinarían los cambios genéticos con las alteraciones epigenéticas para el desarrollo del tumor. Es un aspecto importante, ya que el silenciamiento epigenético puede ser un proceso paulatino, no homogéneo, generando por tanto una masa celular heterogénea con cierta plasticidad (distintos niveles de expresión). Este podría ser un aspecto importante en metástasis.

¿Cómo se determinan los niveles globales o particulares de metilación?

La metilación global del DNA se puede estudiar fundamentalmente por dos procedimientos; uno basado en la técnica de HPLC (cromatografía líquida de alta presión) y otro en la técnica de HPCE (electroforesis capilar de alto rendimiento).

Si se quieren buscar sitios específicos de metilación, para saber si un gen supresor concreto está metilado o no, se usan otras técnicas:

  • la digestión con endonucleasas de restricción que cortan el DNA en sitios determinados si no están metilados, pero no si lo están, y posterior análisis por Southem blot o PCR.
  • desaminación de citosinas mediante bisulfito sódico, de forma que las C se transforman en Uracilos, pero las 5mC no se ven afectadas. Después, el resultado se analiza por PCIR, bien con primers específicos para las zonas donde se han generado los cambios, o bien con primers para las zonas flanqueantes de la zona susceptible de cambios, y una posterior secuenciación de¡ fragmento obtenido.

La existencia de modificaciones epigenéticas permite pensar en nuevas formas de terapia basadas en agentes demetilantes, inhibidores de enzimas reparadoras de metilación, inhibidores de deacetilasas, etc.