Epixenética

Para outras páxinas con títulos homónimos véxase: Epixénese.

A epixenética é, nun sentido amplo, o estudo dos factores non xenéticos que interveñen na determinación do desenvolvemento dun organismo, desde o cigoto ata a forma adulta e a senescencia. Máis especificamente, en xenética, a epixenética é o estudo da regulación herdable da expresión xénica ou fenotipo celular causada por factores que non provocan cambios na secuencia de nucleótidos do ADN. Dese feito procede o nome desta disciplina: epi- (do grego επί, encima) -xenética. O termo foi acuñado por C. H. Waddington para referirse ao estudo das interaccións entre os xenes e o ambiente que se producen nos organismos. Os factores epixenéticos causan modificación relevantes de tipo funcional no xenoma, pero sempre sen afectar á secuencia nucleotídica. Estes factores non xenéticos fan que os xenes do organismo se comporten (ou "se expresen") de forma diferente. Exemplos destes cambios son a metilación do ADN e a modificación de histonas, que regulan a expresión xenética de xenes que non sufriron cambios na súa secuencia. Ademais, hai probas concluíntes de que estes cambios son herdables, é dicir, pasan de pais a fillos, xa que poden permanecer na célula despois de experimentar sucesivas mitoses e perdurar durante moitas xeracións.

Un exemplo de cambio epixenético en eucariotas é a regulación da diferenciación celular. Durante a morfoxénese, e sen que basicamente cambie a secuencia xénica, as células nai ou troncais totipotentes orixinan varias liñas pluripotentes no embrión, que á súa vez se converten en células completamente diferenciadas. Deste modo, un cigoto dá lugar a moitos tipos celulares, como neuronas, células musculares, epiteliais, endoteliais etc. a medida que se divide por mitose, e se activan uns xenes e desactivan outros.

En 2011, demostrouse que a metilación do ARN mensaxeiro ten un papel fundamental na homeostase enerxética do organismo. Na obesidade asociada ao xene FTO está implicada a desmetilación da N6-metiladenosina no ARN. Isto abre unha grande expectativa no campo da epixenética do ARN.

Recentes estudos sobre irmáns xemelgos tanto monocigóticos coma dicigóticos proporcionaron tamén evidencias de influencia epixenética nos humanos.

Orixe do termo

Mecanismos epixenéticos.

O termo epixenética (como en "paisaxe epixenética") foi orixinalmente acuñado por C. H. Waddington en 1942. Cando Waddington acuñou o termo non se sabía case nada da natureza física dos xenes e o seu papel na herdanza; el usouno como un modelo conceptual de como os xenes poderían interaccionar co que os rodea para producir un fenotipo.

Robin Holliday definiu epixenética como "o estudo dos mecanismos de control temporal e espacial da actividade xénica durante o desenvolvemento de organismos complexos." Neste sentido a epixenética pode usarse para describir calquera cousa distinta da secuencia do ADN que inflúe no desenvolvemento dun organismo.

O uso moderno da palabra en moitos contextos científicos é máis restrinxido, e refírese aos caracteres herdables (ao longo das sucesivas divisións celulares e ás veces transxeracionalmente) que non implican cambios na secuencia de ADN subxacente.

O epixenoma é a información epixenética global dun organismo.

Aplicacións

Dependendo da disciplina biolóxica, o termo epixenética ten distintos significados:

• En xenética do desenvolvemento, a epixenética fai referencia aos mecanismos de regulación xenética que non implican cambios na secuencias de ADN;
• En bioloxía do desenvolvemento, o termo epixenética fai referencia á dependencia contextual dos procesos embriolóxicos. O contexto inclúe factores epixenéticos tanto internos (materiais maternos, propiedades xenéricas físicas e autoorganizativas das células e os tecidos, procesos de regulación xenética, dinámica celular e dos tecidos) como externos (temperatura, humidade, luz, radiación...);
• En bioloxía evolutiva, o termo herdanza epixenética engloba os mecanismos de herdanza non xenéticos;
• En xenética de poboacións emprégase a expresión variación epixenética para denominar a variación fenotípica que resulta de diferentes condicións ambientales (norma de reacción). Os cambios epixenéticos son cambios reversibles do ADN que fan que uns xenes se expresen ou non se expresen dependendo de condicións exteriores (polifenismo).

A epixenética é o estudo de modificacións na expresión de xenes que non se encontra na secuencia do ADN e estas modificacións son herdables. Unha das fontes de maiores modificacións dos xenes é o ambiente, que pode afectar a un ou varios xenes con múltiples funcións. Por medio da regulación epixenética pódese observar como é a adaptación ao medio ambiente dada pola plasticidade do xenoma, o cal ten como resultado a formación de distintos fenotipos dependentes do medio ambiente ao que se expoña o organismo. Estas modificacións que se dan presentan un alto grao de estabilidade e ao ser herdables isto permite que se poidan manter nunha liñaxe celular por moitas xeracións. Isto é importante xa que cando hai erros nas modificacións se poden xerar doenzas que perduren nunha familia por moito tempo.

A regulación epixenética pode darse por cambios na conformación da cromatina debidos á interacción desta coas histonas. Este é un nivel chave de regulación, xa que o estado no que está a cromatina determina o momento, o lugar e a forma en que un xene pode expresarse ou non expresarse. Se o grao de condensación dunha rexión da cromatina é alta os elementos de transcrición non poden acceder a esa rexión do ADN e o xene non se trranscribirá; é dicir, o xene é silenciado. Pero se a cromatina non está condensada os activadores de transcrición pódense unir ás rexións promotoras para que teña lugar a transcrición do xene. Esta é unha das formas de regulación do xenoma. Determinouse que hai tres procesos epixenéticos de regulación: metilación do ADN, modificación das histonas e efecto dos ARN pequenos non codificantes.

Xenética do desenvolvemento

A estrutura molecular interna dos cromosomas dividiuse en tres capas:

1. Xenes codificadores de proteínas: Son os depositarios básicos da herdanza.

2. Xenes non codificadores: Estes xenes son importantes para a herdanza e o desenvolvemento de enfermidades e orixinan ARN activos, que alteran o funcionamento dos xenes codificadores.

3. Capa epixenética da información: Factores que non alteran a secuencia do ADN pero inflúen na súa expresión. É fundamental para o desenvolvemento, o crecemento, o envellecemento e o cancro. Os mecanismos epixenéticos poden integrar sinais xenómicos e ambientais para controlaren o desenvolvemento dun fenotipo particular, polo que están intimamente ligados coa plasticidade fenotípica e a saúde.

As "epimutaciones" (cambios na regulación epixenética), segundo algunhas teorías, darían orixe a moitas doenzas, como a esquizofrenia, ou explicarían as diferenzas entre xemelgos idénticos, que teñen idénticas secuencias de ADN.

As variacións epixenéticas controlan a actividade dos xenes; por exemplo, se é alta a concentración de substancia "X", a actividade será alta. O código epixenético está constituído por un sistema de moléculas unidas ao ADN ou ás histonas, un código de histonas gobernaría a expresión dos xenes porque as colas proteicas das histonas catalizan unha gran variedade de adicións químicas, como a adición de acetilos que amplifican a expresión de xenes veciños.

Mecanismos epixenéticos de regulación xénica

Os cambios epixenéticos poden modificar a activación e certos xenes, pero non a secuencia do ADN. Ademais, as proteínas da cromatina asociadas co ADN poden ser activadas ou silenciadas. Este é o modo en que as células diferenciadas nun organismo multicelular expresan só os xenes que son necesarios para a súa propia actividade. Os cambios epixenéticos consérvanse cando a célula se divide. A maioría dos cambios epixenéticos só ocorren durante a vida dun organismo e non pasan á seguinte xeración, pero observáronse casos en que algúns cambios epixenéticos poden herdarse dunha xeración á seguinte. Isto formula a cuestión de se os cambios epixenéticos nun organismo poden ou non alterar a estrutura básica do seu ADN, o que sería unha forma de lamarckismo.

Entre os procesos especificamente epixenéticos están: paramutación, bookmarking, impronta xenética, silenciamento de xenes, inactivación do cromosoma X, efecto de posición, reprogramación, transvección, efecto materno, o progreso da carcinoxénese, moitos efectos dos teratóxenos, a regulación da modificación das histonas e a heterocromatina, e as limitacións técnicas que afectan á partenoxénese e á clonación.

A investigación epixenética utiliza unha gran variedade de técnicas biolóxicas moleculares para intentar comprender os fenómenos epixenéticos, como a inmunoprecipitación da cromatina (e outras variantes), hibridación in situ fluorescente, encimas de restrición sensibles á metilación, e outras. Ademais, o uso de métodos bioinformáticos é tamén moi importante (epixenética computacional).

Entre os mecanismos moleculares que interveñen nos cambios epixenéticos das células os principais son: metilación do ADN, modificación de histonas e o ARN non codificante.

Metilación do ADN

Artigo principal: Metilación.

Na cromatina o ADN está asociado con histonas formando nucleosomas.

A base citosina pode metilarse, e isto permite que a cromatina adopte unha conformación máis cerrada. Un alto grao de metilación está asociado co silenciamento de xenes. Unha forma de controlar o grao de metilación é por medio de efectos ambientais. Nos mamíferos a metionina, colina, ácido fólico e piridoxinas (que son substancias que se obteñen da dieta) teñen como función a adición de grupos metilo. En xeral a metilación dáse en maior grao nas illas CpG do ADN (rexións con gran concentración de citosina e guanina), as cales forman parte da rexión promotora dos xenes. O encima ADN metiltransferase encárgase de establecer e manter os patróns de metilación en colaboración coas proteínas de unión a metil-CpG, que están involucradas en facer as marcas de metilación. Un exemplo de silenciamento de xenes ou grupo de xenes é a inactivación do cromosoma X e a impronta xenética. Na impronta xenética unha das copias do xene (a copia de orixe materna e paterna), pode estar completamente silenciada coa fin de ter unha expresión monoalélica de certos xenes, o que se consegue porque hai un patrón de metilación en función do sexo. Se existen anomalías no silenciamento de certas copias pódense dar cambios no fenotipo que poden orixinar doenzas como no caso da síndrome de Beckwith Wiedemann. Esta síndrome dáse cando as dúas copias do xene IGF2 están activas, é dicir o proceso de impronta xénica non se produciu de forma axeitada ao non silenciar a copia materna, e isto causa a formación de tumores. Determinouse que un índice elevado de metilación de xenes reguladores do ciclo celular e da reparación do ADN leva a unha maior frecuencia na formación de tumores canceríxenos. De igual forma se hai unha baixo nivel de metilación (hipometilación) tamén se presentan enfermidades. Estudos recentes demostraron que a metilación é un mecanismo de defensa contra virus e parasitos para evitar que estes poidan danar o ADN.

Modificación de histonas

A cromatina está conformada por unha unidade básica, o nucleosoma, conformado por histonas (H2A, H2B, H3 e H4) unidas a proteínas non histónicas nas que se enrola o ADN. A configuración das histonas pode cambiarse por modificacións postraducionais. As modificacións das histonas sofren modificacións por medio de acetilacións, fosforilacións, metilacións, desaminacións, isomerización de prolinas e ubiquitinazación. Combinacións específicas nesta modificación das histonas serven como unha especie de código (código das histonas) que determina se o xene ten que ser silenciado ou expresado e esta é outra forma de regular a regulación xénica.

ARN non codificante e factores de transcrición

Outra forma de regulación xénica é por medio de ARNs, que teñen secuencias complementarias do ARN codificante e impiden a súa tradución; esta é unha forma de regulación negativa da expresión a nivel postranscricional. Un destes tipos de ARN son os ARN interferente, os cales se unen a secuencias complementarias e degradan dito transcrito impedindo así que se dea a tradución a proteínas. Viuse a importancia deste tipo de regulación xénica e na regulación na produción de tumores, efectos do envellecemento por cambios na metilación, asociado ao estrés por metilación en xenes neurais, implicado en defectos de desenvolvemento fetal entre outros.

Algunhas veces un xene, despois de ser activado, transcribe un produto que (directa ou indirectamente) mantén a actividade dese xene. Por exemplo, as proteínas Hnf4 e MyoD portencian a transcrición de moitos xenes específicos do fígado e músculo, respectivamente, incluído os seus propios xenes, por medio da actividade como factor de transcrición que teñen as proteínas que codifican. A sinalización de ARN inclúe o recrutamento diferencial de complexos modificadores da cromatina xenéricos e de ADN metiltransferases en loci específicos de ARN durante a diferenciación e desenvolvemento. Outros cambios epixenéticos están mediados pola produción de diferentes formas de splicing do ARN, ou pola formación de ARN bicatenario (RNAi). Descendentes de células nas cales o xene fora activado herdarán esta actividade, mesmo se o estímulo orixinal para a activación xénica xa non está presente. Estes xenes son máis a miúdo activados ou inactivados por transdución de sinais, aínda que nalgúns sistemas nos que son importantes os sincitios ou unións comunicantes, o ARN pode pasar directamente a outras células ou núcleos por difusión. A nai contribúe cunha gran cantidade de ARN e proteínas ao cigoto o que dá lugar a fenotipos con efecto materno. O pai transmite unha pequena cantidade de ARN no espermatozoide, pero hai evidencias recentes de que esta información epixenética pode orixinar cambios visibles en varias xeracións de descendentes.

Epixenética transxeracional

No estudo Överkalix, Marcus Pembrey e os seus colegas observaron que os netos por vía paterna (e non os maternos) de homes suecos que foron expostos a un período de fame durante a adolescencia debido ás malas colleitas do século XIX, tiñan menor probabilidade de morrer de enfermidades cardiovasculares. Se había abundancia de comida, a mortalidade por diabetes dos netos incrementábase, o que suxire que isto se debe a herdanza transxeracional. O efecto oposto observouse nas mulleres.

En resumo, a alimentación dos avós paternos estaba asociada só co risco de mortalidade dos netos pero non das netas, e a alimentación das avoas paternas estaba asociada só co risco de mortalidade das netas e non dos netos.

Xeración de enfermidades

O coñecemento destes fenómenos permitiu que se dean avances en terapias xénicas. Traballouse moito en silenciamento de xenes en ratos coa síndrome de Rett que ao seren tratados recuperaron a súa capacidade de producir niveis normais da proteína MeCP2 diminuíndo así os signos de autismo que presentaban antes do tratamento. Un factor chave neste campo é a herdabilidade da marcación epixenética dunha xeración a outra o cal permite aumentar o éxito das terapias xénicas. Se os cambios estruturais da cromatina poden ser determinados en gran medida polos factores ambientais e isto pode ser herdable serían importantes na expresión adaptativa segundo o ambiente. Estes últimos descubrimentos levaron a considerar non só a expresión dos xenes senón tamén como dita expresión pode ser modificada por factores ambientais.

A regulación epixenética faise por medio de cambios estruturais, como a adición de metilos, que poden levar a que se dean alteracións nos lugares de acción de encimas e como resultado pódese perder na estabilidade de ditas rexións. Estas rexións fanse máis sensibles a que nelas se dean variacións cromosómicas ou que se chegue a transformar a célula por fallos no mecanismo de control de crecemento ou por activación da apoptose. Todo isto pode resultar en cambios no fenotipo e unha alta posibilidade de desenvolver enfermidades.

Desenvolvemento, cancro e sinalización de Notch

Sábese que a ruta de sinalización Notch está implicada tanto no desenvolvemento coma na renovación de tecidos, e propúxose que a vía de transdución de Notch xoga un papel na proliferación do cancro. Recentemente realizáronse estudos na mosca Drosophila que permitiron comprender mellor a relación de Notch e a formación de tumores. Notch é importante xa que ten un papel na determinación de destinos celulares, proliferación, apoptose, diferenciación, migración e desenvolvemento celular. Co estudo de drosófila determinouse que os receptores de Notch nos mamíferos e os ligandos de Delta están involucrados na formación de tumores. Unha activación aberrante do receptor NOTCH1 está relacionada co 50% dos tipos de leucemia linfoblástica aguda de células T. Se se inactiva a vía de transdución de Notch increméntase a formación de tumores, xa que se viu que en certos contextos Notch pode ser un supresor de tumores. Porén, aínda non se comprende claramente como Notch actúa in vivo na formación do cancro. Por esta razón os estudos estanse a enfocar na identificación dos oncoxenes e os supresores tumorais que interactúan coas vías de Notch. Cando se teña unha mellor comprensión deste tema e se se comproba que os silenciamentos epixenéticos aumentan a formación de tumores pederanse idear terapias epixenéticas para combater o cancro.

A epixenética do cancro é unha área de investigación en curso que continúa facilitando a comprensión da patoxénese molecular do cancro e a identificación de novas alternativas terapéuticas.

Varios compostos considéranse carcinóxenos epixenéticos, xa que causan un aumento na incidencia de tumores a pesar de que non mostran actividade mutaxénica. Exemplos inclúen dietilstilbestrol, arsenita, hexaclorobenceno, e compostos de níquel.

Moitos teratóxenos exercen efectos específicos sobre o feto por mecanismos epixenéticos. Mentres que se admitía que os efectos epixenéticos poden preservar o efecto de teratóxenos como o dietilstilbestrol durante a vida dun neno afectado, a posibilidade de que se producisen defectos como resultado da exposición dos proxenitores masculinos ou en segundas ou sucesivas xeracións de descendentes era xeralmente rexeitada por cuestións teóricas e por falta de evidencias. Porén, demostráronse varias anormalidades mediadas polo macho, e probablemente existirán máis. Algúns organismos como a FDA advirten dos riscos epixenéticos dalgúns produtos, como Vidaza, unha formulación de 5-azacitidina (un análogo non metilable da citidina que causa hipometilación cando se incorpora ao ADN), que indica na súa etiqueta que "aos homes debería aconsellárselles que non tivesen un fillo" mentres están a usar esta droga, citando evidencias en ratos macho tratados que mostraron fertilidade reducida, aumento da perda de embrións, e desenvolvemento embrionario anormal. Nos ratos, observáronse diferenzas endócrinas na descendencia de machos expostos á morfina. Nos ratos, describiuse que os efectos na segunda xeración do dietilstilbesterol producíanse por mecanismos epixenéticos.

Recentes estudos indicaron que o xene da leucemia de liñaxe mixta (MLL) causa leucemia ao producirse un rearranxo e fusión con outros xenes de diferentes cromosomas, o cal é un proceso que está baixo control epixenético.

Outras investigacións concluíron que ocorren alteracións na acetilación das histonas e na metilación do ADN en varios xenes que inflúen no cancro de próstata. A expresión xénica na próstata pode modularse por cambios na nutrición e o estilo de vida.

Estanse a facer cada vez máis investigacións sobre os mecanismos epixenéticos, xa que se pensa que a epixenética ten o potencial de explicar boa parte dos mecanismos do envellecemento, desenvolvemento humano, orixes do cancro, enfermidades cardíacas e mentais, e outras condicións.

Impronta xenética

Os procesos de metilación xogan un papel importante na acción da impronta xenética. Nos vertebrados só se descubriu este mecanismo nos mamíferos. Segundo a orixe parental os xenes poden ser activados ou silenciados. A impronta afecta ao crecemento prenatal e estableceuse a súa importancia na xeración de enfermidades. A impronta xenética iníciase durante a gametoxénese e, por tanto, esta hérdase durante a fusión dos gametos. Durante a formación do cigoto a impronta é reprogramada no novo individuo. O exemplo máis claro deste mecanismo é a regulación da dose compensatoria do cromosoma X. Esta reprogramación xoga un papel importante na expresión dos xenes de tecidos específicos que se chegasen a ser modificados poderían ter consecuencias no desenvolvemento axeitado do organismo. Por tanto, cun mellor entendemento de como ocorren estes procesos e como se regulan pódese chegar a comprender enfermidades como a preeclampsia, e outros problemas na xestación, fallos que se dan na reprodución asistida, problemas asociados coa infertilidade e o cancro entre outros.

Algúns trastornos humanos están asociados coa impronta xenética, na que o pai e a nai contribúen con diferentes patróns epixenéticos en loci xenómicos específicos nas súas células xerminais. Os casos mellor coñecidos de trastorno por improta en humanos son a síndrome de Angelman e a síndrome de Prader-Willi, que se poden producir ambas as dúas pola mesma mutación xenética, a deleción parcial do cromosoma 15q, e as características concretas da síndrome que se presenta na persoa afectada dependen de se a mutación se herdou do pai ou da nai. Isto débese a que hai impronta xenética nesa rexión xénica. A síndrome de Beckwith-Wiedemann está tamén asociada coa impronta xenética, a miúdo causada por anormalidades na impronta xenómica maternal nunha rexión do cromosoma 11.

Posibles problemas coa reprodución asistida

Xa se mencionou que moitos destes cambios son produto da exposición ao ambiente. No caso da reprodución asistida xerouse a dúbida de se o tempo de exposición ao medio de cultivo pode exercer un efecto nos procesos de regulación epixenética. Dado que a fase de desenvolvemento do embrión é un momento crítico no cal se dan moitos cambios epixenéticos como unha elevada taxa de desmetilación para borrar as marcas epixenéticas dos proxenitores. Por iso esta fase é crítica e como o ambiente xoga un papel importante que pode cambiar estes patróns. Durante a embrioxénese despois de borrar a impronta dos pais fórmase un patrón de metilación de novo, o cal permite que se produza a diferenciación de tecidos. Se este proceso non se dá de forma axeitada poden presentarse doenzas no individuo ou posibles problemas durante o embarazo que poden levar á perda do embrión. Por isto debe considerarse se a exposición a un medio artificial pode chegar a ter un potencial toxicolóxico impedindo que se dean os patróns de regulación adecuados. Aínda que unha gran porcentaxe de nenos nacidos por esta técnica presentan un desenvolvemento e crecemento normal observouse que hai unha tendencia a que presenten un baixo peso ao nacer e que existe un aumento de tres a seis veces na aparición das síndromes Beckwith-Wiedemann e de Angelman. Aínda non hai un coñecemento claro nos humanos de como distintos factores que se dan na fecundación in vitro onde se encontran os embrións poidan ter un efecto importante no desenvolvemento dos mesmos, en embrións de rato si se observaron cambios na impronta epixenética.

Biomarcadores epixenéticos

A palabra biomarcador fai referencia a calquera tipo de variación que ocorra no material xenético e que sexa posible detectala no organismo que leve dito cambio. Os primeiros marcadores utilizados baséanse nos conceptos da xenética tradicional de tal forma que utilizaban sistemas polimórficos para detectar as variantes alélicas que orixinaban un cambio no fenotipo. Para a detección de modificacións epixenéticas desenvolvéronse marcadores que se encargan de detectar moléculas que se relacionen cun estado particular de activación ou inactivación dun xene. Por exemplo, a detección dunha gran cantidade de metilos indica un estado de inactivación do xene. Coa incorporación de técnicas moleculares creáronse biomarcadores por medio de SNPs, indeis, RFLPs e microsatélites entre outros. Para que un marcador sexa considerado un bo marcador este debe requirir unha mínima cantidade da mostra e debe permitir a identificación de diferenzas significativas entre un estado normal e un estado de cambios epixenéticos que poden desenvolverse nunha enfermidade. Baseándose nisto existe un tipo de marcadores que usan como mostra fluídos corporais e miden a concentración de certos metabolitos presentes, os cales se relacionan con cambios epixenéticos e máis adiante coa formación de cancro. Para a detección do cancro un dos marcadores que se usan con maior frecuencia son as modificacións epixenéticas do promotor dos xenes involucrados na inhibición de quinases dependentes de ciclinas p15, p16 e RASSF1A. Estes serven como marcadores da detección temperá de carcinomas hepatocelulares. Tómanse mostras de sangue do paciente no cal se poden detectar secuencias metiladas dos xenes mencionados.

Epixenética en microorganismos

Bacteria Escherichia coli.

As bacterias fan un amplo uso da metilación posreplicativa do ADN para realizar o control epixenético das interaccións ADN-proteína. As bacterias utilizan a metilación da adenina do ADN (en vez da metilación da citosina) como sinal epixenético. A metilación da adenina do ADN é importante na virulencia de bacterias en especies e xéneros como Escherichia coli, Salmonella, Vibrio, Yersinia, Haemophilus, e Brucella. Nas alfaproteobacterias a metilación da adenina regula o ciclo celular e coordina a transcrición xenética coa replicación do ADN. En gammaproteobacterias, a metilación da adenina é un sinal para a replicación do ADN, a segregación dos cromosomas, a reparación do ADN, o empaquetamento de bacteriófagos, a actividade transposase e a regulación da expresión xénica.

O fungo filamentoso Neurospora crassa é un sistema modelo importante para a comprensión do control e función da metilación da citosina. Neste organismo, a metilación do ADN está asociada con restos dun sistema de defensa do xenoma chamado RIP (repeat-induced point mutation) e silencia a expresión xenética ao inhibir a elongación da transcrición.

O prión PSI de lévedo xérase por un cambio conformacional dun factor de terminación traducional, que se herda despois polas células fillas. Isto pode proporcionar unha vantaxe en condicións adversas. Este é un exemplo de regulación epixenética que permite aos organismos unicelulares responder rapidamente ao estrés ambiental. Os prións poden considerarse como axentes epixenéticos que poden inducir un cambio fenotípico sen modificar o xenoma.

O novo mercado sanitario da epixenética

Varias compañías dedícanse case exclusivamente a desenvolver medicamentos que restauren os cambios epixenéticos. Por exemplo, Pharmion Corporation creou un novo fármaco chamado Vidaza, que bloquea a metilación do ADN nas células canceríxenas e estimula os xenes que deteñen o desenvolvemento tumoral. En Alemaña creouse a empresa Epigenomics que desenvolve probas de diagnóstico dos cancros de mama e próstata baseándose na epixenética.

Epixenética no desenvolvemento e plasticidade fenotípica

Cando se utiliza o termo epixenética no sentido amplo, que non implica necesariamente a herdanza dunha xeración a outra, poden describirse moitos efectos epixenéticos que afectan ao desenvolvemento e ao fenotipo, como a temperatura, luminosidade, alimentación etc.

Efectos dependentes de temperatura

A actividade encimática depende da temperatura, xa que cambios nesta pode afectar á maneira en que as proteínas se dobran, e afectan á súa interacción con outros compostos. Como o fenotipo depende da actividade de moitos encimas e das súas interaccións con proteínas en xeral, polo que os cambios na temperatura poden orixinar en cambios no fenotipo.

Cambios na coloración das ás das bolboretas

Diversas especies de bolboretas cambian a súa coloración de acordo coas estacións. Os cambios en coloración teñen vantaxas funcionais, e por esta razón evolucionaron. Usualmente, o fenotipo que mostran nos meses cálidos de verán ten cores claras nas ás, entanto que o fenotipo de inverno presenta cores escuras. Como as cores escuras absorben a luz do sol de maneira máis eficiente, axudan a aumentar a temperatura corporal durante o inverno; o contrario ocorre durante o verán. Os cambios en coloración parecen estar controlados por transdución de sinais do ambiente ao xenoma a través do sistema neuroendócrino. Sinais do ambiente, como temperatura e duración do día, son percibidas polos sistemas neurosensoriais do organismo. Estes logo poden activar ou desactivar a secreción de hormonas polo sistema endócrino. As hormonas, á súa vez, poden regular a expresión xénica, xa que poden activar factores de transcrición.

As diferenzas na coloración das ás das bolboretas en verán e inverno danse por cambios nos niveis da hormona ecdisona durante a fase larvaria; as larvas que se desenvolven durante meses fríos están expostas a niveis máis baixos de ecdisona ca as que se desenvolven en meses cálidos.

Determinación do sexo de réptiles e peixes

Entre moitas especies de tartarugas e crocodilos e nalgúns peixes, o sexo dun organismo depende da temperatura de desenvolvemento do embrión. Este mecanismo puido evolucionar nalgunhas especies para modificar a proporción 1:1 entre sexos. Por exemplo, en crocodilos, as temperaturas altas producen máis femias, de maneira que pode haber ata 10 femias por macho. Isto representa unha vantaxe para as especies nas que o tamaño de poboación está limitado polo número de femias. En peixes, o sexo parece estar determinado pola relación entre as hormonas estróxeno e testosterona, que á súa vez é controlada polo encima aromatase, que converte a testosterona en estróxeno. A temperatura pode regular a aromatase, e desta maneira determinar o sexo do organismo.

Efectos dependentes da nutrición

A comida contén sinais químicos que poden inducir cambios fenotípicos.

Abellas: xelea real e a abella mestra

Nas abellas, a produción de abellas mestras (ou raíñas) depende case exclusivamente da alimentación das larvas. As larvas que se alimentan de xelea real, que contén altas concentracións de proteínas e secrecións das glándulas salivares das abellas obreiras, durante todo o seu desenvolvemento, serán abellas mestras con ovarios funcionais. Polo contrario, as larvas que son alimentadas con xelea real só durante curtos períodos de tempo converteranse en obreiras sen ovarios funcionais. O consumo de xelea real causa altas taxas de síntese de hormona xuvenil na larva. Esta hormona atrasa a metamorfose, permitiendo que a larva se desenvolva durante máis tempo, adquira un maior tamaño, e desenvolva ovarios funcionais. Demostrouse que o cambio nos niveis de produción desta hormona está correlacionado co silenciamento do xene Dnmt3, que induce unha reprogramación do transcriptoma larvario. O silenciamento deste xene prodúcese por alteracións nos niveis de metilación, polo que está claro que a regulación epixenética é un compoñente chave para controlar a división social de labores na colonia.

Lonxitude dos cornos dos escaravellos

A calidade e cantidade de esterco que reciben os escaravellos durante o desenvolvemento determina o fenotipo morfolóxico e comportamental dos escaravellos macho dalgunhas especies. Isto ocorre en especies como Onthophagus taurus e Onthophagus acuminatus, nas que os machos teñen cornos e as femias non. Como nas abellas, a hormona xuvenil afecta ao fenotipo, esta vez determinando a lonxitude dos cornos dos machos. Canto maior é a concentración de hormona xuvenil, maior lonxitude dos cornos. Como os cornos son un factor de selección sexual para a femia, o comportamento dos machos con cornos curtos cambia para asegurar a súa reprodución. Mentres que os machos con cornos longos, que foron escollidos polas femias, vixían a porta do esconderixo, os machos de cornos curtos cavan túneles ata chegaren a onde se encontra a femia, para aparearse con ela evitando a confrontación co macho de cornos longos. Deste xeito, a alimentación deficiente causa baixos niveis de hormona xuvenil, que á súa vez resultan en machos de cornos curtos con comportamento “tramposo”.

Efectos da presenza de depredadores

Algúns organismos poden detectar a presenza de moléculas secretadas polos seus depredadores e usar estas moléculas para activar o desenvolvemento de estruturas que os fagan menos susceptibles á depredación. Existen moitos exemplos desta habilidade:

• O cladócero Daphnia produce unha cabeza “en forma de casco bicudo”.
• O rotífero Keratella produce espiñas adicionais.
• O arneiro Chthamalus cambia a posición da súa apertura.
• O caracol Thais produce unha cuncha máis grosa.
• Os cágados da especie Agalychnis callidryas empezan a saír dos ovos de maneira temperá en resposta ás vibracións causadas polas serpes.

Efectos da presenza de membros da mesma especie

Sinais para cambiar o fenotipo tamén poden vir de membros da mesma especie, porque os individuos deben comportarse de maneiras diferentes cando están sós e cando están rodeados de competidores. Usualmente os sinais de depredadores e membros da súa especie actúan de maneira sinerxística para producir o fenotipo máis favorable. Algúns exemplos son:

• As lagostas Schistocerca gregaria (insectos) mostran fenotipos moi distintos con baixas e altas densidades de poboación. Cando a densidade é alta e os recursos son pouco abundantes, é beneficioso migrar. O fenotipo migratorio mostra cores máis escuras, ás máis longas e comportamento agresivo. Estes cambios son causadas por cheiros e contacto directo entre individuos.
• Peixes de moitas especies cambian de sexo dependendo da interacción con membros da súa especie. Por exemplo, nos peixes gobios (Lythrypnus dalli), se o macho do grupo morre, unha femia pode tomar o seu lugar. Pero se se introduce outro macho de maior tamaño no grupo, o macho que se converteu pode reverter o seu fenotipo a femia.

Implicacións evolutivas da epixenética

Os mecanismos epixenéticos foron unha parte necesaria da orixe evolutiva da diferenciación celular. Aínda que a epixenética nos organismos pluricelulares era considerada como un mecanismo implicado na diferenciación celular, pensábase que había un "reseteado" ou borrado dos patróns epixenéticos no momento en que os organismos se reproducían, pero detectáronse tamén casos de herdanza epixenética transxeracional (por exemplo, o fenómeno da paramutación no millo). A maioría dos trazos epixenéticos multixeracionais pérdense gradualmente nunhas poucas xeracións, pero sempre é posible que a epixenética multixeracional sexa outro aspecto da evolución e a adaptación. A epixenética podería cruzar a barreira de Weismann (que di que a información hereditaria se move das células xerminais ás somáticas e non ao revés), especialmente en plantas e microbios, e este efecto pode requirir unha ampliación do armazón conceptual estándar da síntese evolutiva moderna.

As características epixenéticas poden xogar un papel na adaptación a curto prazo das especies ao permitir unha variabilidade de fenotipos reversible. A modificación das características epixenéticas asociadas cunha rexión do ADN permite aos organismos, nunha escala de tempo multixeracional, cambiar entre fenotipos que expresan ou reprimen un determinado xene. Cando a secuencia de ADN desa rexión non está mutada, este cambio é reversible. Especulouse sobre que os organismos poderían tirar vantaxe das taxas de mutación diferencial asociadas con características epixenéticas para controlar as taxas de mutación de determinados xenes. Análises recentes suxeriron que encimas membros da familia APOBEC/AID das citosina desaminases poden simultaneamente mediar a herdanza xenética e epixenética utilizando mecanismos moleculares similares.

A epixenética evolutiva pode dividirse en epixénese predeterminada e probabilística. A predeterminada é un movemento unidireccional desde o desenvolvemento estrutural do ADN á maduración funcional da proteína. "Predeterminada" aquí significa que o desenvolvemento está escrito no guión e é predicible. "Probabilística" significa que é un desenvolvemento estrutura-función bidireccional con influencia das experiencias e da modelaxe externa.

Tamén se observaron cambios epixenéticos en resposta á exposición ambiental. Por exemplo, ratos aos que se lles deu unha dieta con certos suplementos tiveron cambios epixenéticos que afectaron á expresión do xene agoutí, que afectaba á cor da súa pelaxe, peso, e propensión a desenvolver cancro.

Informouse de máis de 100 casos de fenómenos de herdanza epixenética transxeracional nunha ampla gama de organismos, como procariotas, plantas e animais.

Véxase tamén

Outros artigos

• Bioloxía do desenvolvemento
• Xenética do desenvolvemento
• Código de histonas
• Epixenómica
• Epixénese (bioloxía)

Bibliografía

• De Baun, M., Niemitz, E. & Feinberg, A. P. 2003. Association of in vitro fertilization with Beckwith–Wiedemann syndrome and epigenetic alterations of LIT1 and H19. Am. J. Hum. Genet. 72: 156-160.
• Godfrey, K., Lillycrop, K., Burdge, G., Gluckman, P. & Hanson M. 2007. Epigenetic mechanisms and the mismatch concept of the developmental origins of health and disease. Pediatr Res. 61:5R-10R.
• Grabher, C., Von Boehmer, H. & Look, A. 2006. Notch 1 activation in the molecular pathogenesis of T-cell acute lymphoblastic leukaemia. Nat Rev Cancer. 6:347–59.
• Jaenisch R, Bird A. 2003. Epigenetic regulation of gene expression: how the genome integrates intrinsic and environmental signals. 33:245-54.
• Jirtle R. & Skinner,M. 2007Environmental epigenomics and disease susceptibility. Nat Rev Genet 2007; 8(4):253-62.
• Kaminker, P. 2007. Epigenetics: the science of heritable biological adaptation Arch Argent Pediatr. 105(6): 529-531.
• O’Driscoll, L. 2006. The emerging world of microRNAs. Anticancer Res. 26(6):4271-8.
• Rivenbark, A. G. & Coleman, W. B. 2007. The Use of Epigenetic Biomarkers for Preclinical Detection of Hepatocellular Carcinoma: Potential for Noninvasive Screening of High-Risk Populations. Clinical Cancer Research. 13: 2309-2312.
• Ting, A., McGarvey, K. & Baylin, S. 2006. The cancer epigenome components and functional correlates. Genes Dev. 20(23):3215-31.

Ligazóns externas

• Entrevista a Manel Esteller, oncólogo
• Investigación europea