Bases de la epigenética

He hablado por encima un par de veces sobre la epigenética porque es un tema que me parece francamente interesante. Desde hacía tiempo quería dedicarle un post (o más de uno) a esta temática y por fin ha llegado el día. Aunque para empezar tengo que exponer algunos conceptos previos.

La epigenética es la rama de la ciencia que se dedica a estudiar los efectos del ambiente en la expresión de los genes. Para entenderla bien, hay que tener en cuenta distintos conceptos sobre el funcionamiento del material genético. El primero de ellos es que no todo el ADN se expresa, es decir, forma proteínas (lo que llamamos ADN codificante).

Antes se pensaba que todo ese ADN que no se expresaba era basura, pero desde hace unos años se ha empezado a ver que no. Este ADN no codificante (el que no se expresa) está formado por distintas partes, entre las que podemos encontrar genes para ARNs que no dan lugar a proteínas pero afectan a su expresión, transposones, que son fragmentos de material genético que pueden saltar de un lugar a otro (y que a veces pueden provocar enfermedades), o genes parásitos (se calcula que un 45% del genoma humano está formado por genes víricos que se insertaron y se silenciaron cuando nos infectaron los virus en cuestión).

Aún así, si nos centramos en el ADN que da lugar a proteínas, no siempre estas se forman. Es decir, sus genes no siempre se expresan. Esto implica que hay una regulación. Uno de los mecanismos más importantes a la hora de regular la expresión del material genético es su compactación en lo que se llama cromatina.

Estructura básica del ARN. Este ácido nucleico, como el ADN, no solo tiene como función guardar información genética y expresar proteínas, sino que ayuda al ADN a expresar sus proteínas, regulando su formación y hasta regulando su misma expresión. Además, puede tener otras muchas funciones, motivo por el cual existen muchos tipos diferentes. Imagen de AndreaLaurel. https://www.flickr.com/photos/81461206@N02/7490012030/

Estructura básica del ARN. Este ácido nucleico, como el ADN, no solo tiene como función guardar información genética y expresar proteínas, sino que ayuda al ADN a expresar sus proteínas, regulando su formación y hasta regulando su misma expresión. Además, puede tener otras muchas funciones, motivo por el cual existen muchos tipos diferentes. Imagen de AndreaLaurel.

Hay que tener en cuenta que el ADN es muy grande y si no estuviera compactado, no cabría en el núcleo (y quizá ni en la célula). Cuando un trozo de ADN está muy compactado, los genes dentro de ese trozo están silenciados, no se expresan . Cuando un trozo está menos compactado, sus genes sí que se expresan.

Para formar la cromatina, las células usan unas proteínas llamadas histonas, que se agrupan formando complejos y que permiten que la cadena de nucleótidos (las “piezas” básicas del material genético) se enrolle a su alrededor (dando dos vueltas y ocupando entre 160 y 200 pares de nucleótidos), formando lo que se llama como nucleosomas.

Para que tengáis una idea de la estructura de la cromatina, los investigadores llaman a la secuencia de nucleosomas, “collar de perlas”. Las histonas no solo actúan como compactadoras del material genético, sino también como reguladoras, ya que según cómo compacten al ADN, se expresarán más o menos genes.

De hecho, es importante decir que la cromatina aún se compacta más cuando se divide la célula, formando los conocidos cromosomas. Además, es destacable como en la fase laxa (cuando no forma los cromosomas), la cromatina mantiene una organización concreta, estando las mismas partes del material genético siempre en el mismo lugar (y si varían puede dar lugar a la existencia de enfermedades). Esta organización parece estar relacionada con qué genes están activos y con cuáles se relacionan.

Dejando de lado la compactación y su estructura, es importante remarcar que la regulación del genoma hace que no todo el material genético se exprese. A veces depende del tipo de células (no todas son iguales y no expresan los mismos genes) o del momento vital (no se expresan los mismos genes en un feto que un organismo adulto).

Estructura de los nucleosomas, formados por las histonas en medio y el ADN alrededor. El conjunto de nucleosomas parece formar un “collar de perlas”, mediante el cual se empaqueta el material genético. Imagen de Penn State. https://www.flickr.com/photos/pennstatelive/5730052245/

Estructura de los nucleosomas, formados por las histonas en medio y el ADN alrededor. El conjunto de nucleosomas parece formar un “collar de perlas”, mediante el cual se empaqueta el material genético. Imagen de Penn State.

Para complicarlo todo un poquito (más aún), hay ciertas moléculas que pueden condensar o descondensar los nucleosomas, añadiéndose a las histonas, expresando o silenciando genes. Estas son las llamadas señales epigenéticas y las más conocidas son los grupos metilo y los grupos acetilo (aunque también son señales los fosfatos y la ubiquitina).

Los grupos metilo (que llevan a cabo la metilación de las histonas y suelen encontrarse donde una citosina precede a una guanina – además actúan contra el movimiento de los transposones y en el silenciamiento de los genes parásitos) compactan el material genético, de manera que silencian genes, mientras que los grupos acetilo (acetilación de las colas de las histonas – donde también puede haber fosforilación y ubiquitinación), descondensan el material, ergo favorecen la expresión de los genes.

Estas señales están en constante flujo por el material genético, siempre dentro de unos límites, y suelen presentar unos patrones concretos. Estos patrones son diferentes entre los diversos tipos celulares o según el momento vital del organismo (cosa que ayuda a la expresión de diferentes tipos de genes). Además, hay ciertas enzimas que pueden quitar o poner las señales.

Aun así, estas señales epigenéticas son borradas en dos momentos del desarrollo embrionario: al inicio del desarrollo y en una fase más avanzada. Pero que se borren no quiere decir que desaparezcan, puesto que después de cada borrado hay una reprogramación que vuelve a ponerlas. Estas reprogramaciones definen los patrones de cada tipo celular y los patrones de cada sexo, respectivamente. Aun así, a veces hay errores y la reprogramación no es igual, con la posible aparición de enfermedades.

¿Dónde se sitúan las señales epigenéticas? Las metilaciones se producen en el mismo material genético, principalmente donde una citosina precede a una guanina (dos de los cuatro nucleótidos que forman el ADN), mientras que las acetilaciones, así como las fosforilaciones y las ubiquitinaciones, se producen en las colas de las histonas (las líneas azules que salen del nucleosoma en el dibujo). Fijaos que aquí se observa bien la estructura del collar de perlas en la cromatina. Imagen de AJC. https://www.flickr.com/photos/ajc1/8232297246/

¿Dónde se sitúan las señales epigenéticas? Las metilaciones se producen en el mismo material genético, principalmente donde una citosina precede a una guanina (dos de los cuatro nucleótidos que forman el ADN), mientras que las acetilaciones, así como las fosforilaciones y las ubiquitinaciones, se producen en las colas de las histonas (las líneas azules que salen del nucleosoma en el dibujo). Fijaos que aquí se observa bien la estructura del collar de perlas en la cromatina. Imagen de AJC.

Para terminar, quiero destacar la presencia de la impronta, que es un fenómeno de la epigenética en el que un gen de una de las copias de los cromosomas (recordad que se tienen dos copias de cada gen: una de la madre y otra del padre) queda totalmente silenciado, mientras que el otro se expresa de manera normal (esto puede favorecer la presencia de enfermedades).

La impronta solo desaparece tras el segundo borrado, puesto que es el que afecta a las células precursoras de las gónadas (por eso se define el patrón de cada sexo), y vuelve a aparecer tras la reprogramación. Es un fenómeno francamente raro en mamíferos, aunque más común en otros organismos.

Como habéis podido comprobar, la epigenética tiene muchos conceptos detrás y se necesita una importante base para entender cuál es su funcionamiento. Sabiendo esto, es más fácil comprender cómo pueden actuar ciertos compuestos y cuáles pueden ser los efectos de cambios en los patrones epigenéticos. Temas que se tratarán en el próximo artículo.

DH

 

Para más información:

  • Misteli, T. 2015. “La vida interior del genoma”. Temas IyC 81: 4-11
  • González Romero, R.; Ausió, J.; Méndez, J. & Eirin López, J.M. 2015. “El papel clave de las histonas”. Temas IyC 81: 20-27
  • Daga, R.R.; Salas-Pino, S. & Gallardo, P. (2015). “La función reguladora del genoma”. Temas IyC 81: 28-35
  • Jirtle, R.L. & Weidman, J.R. (2015). “La impronta genética”. Temas IyC 81:36-43
  • Wayt Gibbs, W. 2015. “El nacimiento de la epigenética”. Temas IyC 81: 44-50
  • Skinner, M.K. 2015. “Un nuevo tipo de herencia”. Temas IyC 81: 52-59:
  • Jordà, M. Peinado, M.A. 2015. “Regulación génica y el comportamiento social de las abejas”. Temas IyC 81: 60-63.
  • Piferrer, F. 2015. “Epigenética, temperatura y sexo”. Temas IyC 81: 64-65.
  • Jiménez Chillarón, J.C. 2015. “El origen fetal de las enfermedades”. Temas IyC 81: 66-67
  • Wolf, C. 2015. “Entre la herencia y la experiencia”. Temas IyC 81: 68-72.
  • Nestler, E.J. 2015. “Los interruptores ocultos en la mente”. Temas IyC 81: 75-81.
  • Nestler, E.J. 2015. “El estrés deja su huella molecular”. Temas IyC 81: 82-85.
  • Birney, E. Why I’m sceptical about the idea of genetically inherited trauma epigenetics. The Guardian. 11 septiembre 2015.
  • Agencia SINC. Los daños de la desnutrición duran toda la vida y se transmiten a los hijos. SINC. 26 mayor 2016.

 

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Un comentario el “Bases de la epigenética

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