Resultados de la investigación de la epigenética
Remodelación de la cromatina dependiente de ATP y enfermedades humanas
El complejo de remodelación de la cromatina se basa en el ATP hidrolizado para proporcionar energía para completar los cambios en la estructura de la cromatina. Según las diferentes subunidades de ATP hidrolizadas, los complejos se pueden dividir en complejos SWI/SNF, complejos ISW y otros tipos de complejos. Estos complejos y proteínas relacionadas participan en la activación y represión de la transcripción, la metilación del ADN, la reparación del ADN y el ciclo celular.
ATRX, ERCC6 y SMARCAL1 codifican ATPasas relacionadas con el complejo SWI/SNF. La metilación anormal del ADN causada por mutaciones de ATRX causa varios trastornos de retraso mental hereditario, como el síndrome de alfa-talasemia ligada al cromosoma X, el síndrome de Juberg-Marsidi, el síndrome de Carpenter-Waziri, el síndrome de Sutherland-Haan y el síndrome de Smith-Fineman-Myers, estos trastornos se asocian con la supresión de la expresión genética causada por el reposicionamiento anormal de los nucleosomas. Las mutaciones en ERCC6 conducen al síndrome cerebro-óculo-facial-esquelético y al síndrome de Cockayne tipo B. El primero muestra anomalías del desarrollo posnatal, neurodegeneración, contractura articular progresiva y muerte prematura; el segundo muestra síntomas como sensibilidad ultravioleta, deformidades esqueléticas, enanismo y neurodegeneración. Ambas enfermedades carecen de la capacidad de reparar el daño del ADN inducido por los rayos UV, lo que sugiere que la proteína ERCC6 desempeña un papel importante en la reparación del ADN. Las mutaciones en SMARCAL1 causan displasia inmunoesquelética de Schimke, caracterizada por inmunodeficiencia pleiotrópica de células T. Los síntomas clínicos indican que la proteína SMARCAL1 puede regular la expresión de genes relacionados con la proliferación celular. BRG1, SMARCB1 y BRM codifican ATPasas específicas del complejo SWI/SNF. Estas enzimas pueden regular suavemente el ciclo celular, inhibir el crecimiento y mantener la inactivación de genes cambiando la estructura de la cromatina. Las mutaciones en estos tres genes pueden provocar la formación de tumores.
Acetilación, desacetilación de histonas y enfermedades humanas
La acetilación de histonas está relacionada con la activación de genes y la replicación del ADN, mientras que la desacetilación de histonas está relacionada con la inactivación de genes. Las acetiltransferasas (HAT) añaden principalmente grupos acetilo a las lisinas N-terminales de las histonas H3 y H4, mientras que las enzimas desacetilasas (HDAC) hacen lo contrario y las modificaciones en diferentes posiciones requieren enzimas específicas. La familia de las acetilasas puede servir como coactivadores para regular la transcripción, regular el ciclo celular, participar en la reparación del daño del ADN y también puede servir como proteínas de unión al ADN. La familia de las desacetilasas participa en la translocación cromosómica, la regulación transcripcional, el silenciamiento de genes, el ciclo celular, la diferenciación y proliferación celular y la apoptosis.
La proteína de unión a CREB, CBP), la proteína de unión a E1A P300 (proteína de unión a E1A P300, EP 300) y la proteína de dedos de zinc 220 (ZnF220) son todas acetiltransferasas. CBP es un coactivador de la proteína de unión al elemento de respuesta al AMPc. El promotor que actúa sobre el elemento de respuesta AMPc comienza a ser transcrito por histonas acetiladas y su mutación provoca el síndrome de Rubinstein Taybi. El paciente tiene retraso mental, deformidad facial, pulgares y dedos gordos de los pies agrandados y baja estatura. Tanto CBP como EP300 pueden inhibir la formación de tumores.
Las mutaciones en CBP se confirmaron en células tumorales de ratón y las mutaciones en EP300 se confirmaron en líneas celulares de tumores de colon y mama. Además, las anomalías en ZNF220 están asociadas con la leucemia mieloide aguda progresiva en humanos.
Si las mutaciones conducen a una activación incorrecta de las enzimas desacetilasas o a interacciones incorrectas con las enzimas desacetilasas, puede producirse una enfermedad. La proteína 2 de unión a metilcitosina (MeCP2) recluta la desacetilasa en regiones de ADN metiladas, desacetilando las histonas, lo que da como resultado la condensación de la cromatina. Las mutaciones en MECP 2 causan el síndrome de Rett, en el que los pacientes nacen con morbilidad, retraso mental y autismo. Si se bloquea la función de la desacetilasa, puede inhibir la proliferación y diferenciación de las células cancerosas y puede usarse para tratar la leucemia promielocítica aguda, la leucemia linfoblástica aguda y el linfoma no Hodgkin.
Las enfermedades humanas causadas por una remodelación anormal de la cromatina se deben a mutaciones en proteínas clave en el complejo de remodelación, lo que resulta en una falla en la remodelación de la cromatina, es decir, el nucleosoma no puede posicionarse correctamente para reparar los complejos dañados del ADN y los básicos. El aparato de transcripción no puede estar cerca del ADN, lo que afecta la expresión normal de los genes. Puede producirse cáncer si las mutaciones provocan anomalías en los genes supresores de tumores o en las proteínas que regulan el ciclo celular. Las mutaciones en la desacetilasa provocan un fallo en la expresión genética normal, y las mutaciones en la desacetilasa o en determinadas proteínas relacionadas con la desacetilasa provocan un reclutamiento incorrecto de la desacetilasa, lo que puede provocar enfermedades como los tumores. La impronta genómica se refiere a la modificación que se produce cuando los alelos del padre y la madre se transmiten a la descendencia a través del esperma y los óvulos, lo que hace que los alelos con impronta parental tengan diferentes características de expresión. Esta modificación es a menudo una modificación de metilación del ADN, incluida la acetilación y metilación de histonas. Durante las primeras etapas de la formación de células germinales, se eliminan todos los marcadores tanto del padre como de la madre, y el alelo paterno crea un nuevo patrón de metilación a medida que los espermatocitos forman espermatozoides, pero este patrón de metilación cambia durante la fertilización. El patrón de metilación del alelo materno se establece durante la ovogénesis, por lo que los alelos de ambos padres tienen diferentes patrones de metilación antes de la fertilización. Aproximadamente el 80% de los genes impresos están agrupados, y estos genes agrupados están regulados por sitios de acción cis ubicados en la misma cadena, llamados centros de impresión (CI). La presencia de genes impresos refleja competencia sexual. A juzgar por los genes impresos descubiertos, la contribución del padre al embrión es acelerar su desarrollo y la contribución de la madre es limitar la velocidad de desarrollo del embrión. Los padres influyen en sus hijos a través de genes impresos para hacerlos específicos de cada sexo y garantizar la ventaja genética de sus propios genes.
La expresión anormal de genes impresos conduce a muchas enfermedades humanas con mutaciones complejas y defectos fenotípicos. Se ha descubierto que muchos genes impresos desempeñan un papel regulador importante en el crecimiento y desarrollo de embriones y fetos después del nacimiento, y también tienen un gran impacto en el comportamiento y la función cerebral. Las anomalías en los genes impresos también pueden inducir cáncer.
Síndrome de impronta genómica y hernia-macroglosia-gigantismo umbilical (BWS)
Los pacientes con BWS se caracterizan por hiperplasia embrionaria y placentaria, macroglosia y gigantismo, y los tumores son propensos a desarrollarse en ocurre la infancia. La enfermedad es causada principalmente por errores en la expresión de dos genes impresos en el cromosoma 11, IGF2 es el alelo expresado por vía paterna y CDKN1C es el alelo expresado por vía materna. Las disomías uniparentales (UPD) son la principal causa del BWS, es decir, la expresión del gen IGF2 se duplica, pero no la expresión del gen CDKN1C. La causa secundaria es la mutación del alelo CDKN1C materno [22]; en casos raros, la translocación cromosómica materna conduce a la inactivación del gen CDKN1C materno y/o a la expresión del gen IGF2. La sobreexpresión o eliminación de otros genes impresos durante el desarrollo embrionario también puede provocar síndromes similares al BWS. Por ejemplo, el gen IPL materno original no se expresa o el gen ASCL2 escapa de la impronta materna, lo que puede provocar un crecimiento embrionario excesivo. Esto muestra que el alelo expresado por el padre paterno puede promover el crecimiento del embrión, mientras que el alelo expresado por el padre materno puede limitar el desarrollo del embrión.
Impresión genómica y síndrome de Prader-Willi/Angelman (PWS/Síndrome de Aspen)
El SPW se caracteriza por obesidad, baja estatura e inteligencia leve y lenta. La AS se caracteriza por * * * ataxia, hiperactividad, retraso mental severo, falta de palabras y una expresión alegre, los cuales están asociados con disfunción neurológica.
El SPW es causado por la alta expresión de genes impresos paternalmente en el cerebro debido a mutaciones, como la alta expresión del gen SNPNP; la AS es causada por la eliminación o supresión del gen UBE3A del padre femenino, que codifica la ubiquitina ligasa y se expresa en el cerebro. La microdeleción del gen SNRNP expresado paternamente causa SPW, mientras que una mayor deleción aguas arriba causa AS, lo que sugiere que estas dos regiones son centros de impronta. La eliminación del centro de impresión PWS en el cromosoma paterno dará como resultado la supresión del gen SNRNP y los alelos cercanos expresados por el padre, mientras que la eliminación del centro de impresión AS en el cromosoma paterno no cambiará, pero la eliminación del centro de impresión AS en el cromosoma materno El cromosoma hará que UBE3A se inhiba y provoque AS.
Impresión genómica y cáncer
La pérdida de impronta no solo afecta el desarrollo embrionario, sino que también puede inducir anomalías en el desarrollo posnatal, que conducen al cáncer. Si se desactiva el alelo activo de un gen supresor de tumores, aumenta la probabilidad de desarrollar cáncer. Por ejemplo, la pérdida de la huella del gen IGF2 provoca muchos tumores, como el nefroblastoma. Otras enfermedades asociadas con la pérdida de impronta incluyen neuroblastoma, leucemia promielocítica aguda, rabdomiosarcoma y osteosarcoma esporádico.
Las enfermedades relacionadas con la impronta genómica a menudo son causadas por la pérdida de la impronta que resulta en la expresión simultánea de ambos alelos, o por una mutación que conduce a la inactivación del alelo activo. Las mutaciones en el centro de impresión de grupos de genes reguladores pueden provocar la pérdida de expresión de una variedad de genes, lo que lleva a síndromes complejos. La esencia de la impronta genómica es la modificación del ADN y de las proteínas, por lo que las mutaciones en las proteínas relacionadas con la impronta también pueden provocar enfermedades epigenéticas. Inactivación cromosómica
Las mujeres tienen dos cromosomas X, mientras que los hombres solo tienen un cromosoma X. Para mantener el equilibrio, uno de los cromosomas X femeninos se desactiva permanentemente. Este es el efecto de "compensación de dosis". La inactivación del cromosoma X en las hembras de los mamíferos sigue la regla n-1. No importa cuántos cromosomas X haya, sólo se puede conservar uno al azar. Los estudios de individuos con múltiples cromosomas X han demostrado que los cromosomas activos se replican antes que los cromosomas inactivos. La asincronía de la replicación y la distribución no aleatoria de los elementos LINE-1 pueden revelar la naturaleza de la inactivación cromosómica [27]. Después de la fertilización en los mamíferos, se producen cambios sistémicos en el cromosoma X. Primero, el cromosoma X paterno (XP) se inactiva en todas las células embrionarias tempranas, lo que muestra que las histonas de todo el cromosoma se modifican para expresar la proteína PC-G (Pc-G) que inhibe la división celular. se restablece la población de células internas y, finalmente, se inactiva aleatoriamente el cromosoma X paterno o materno.
La inactivación aleatoria del cromosoma X está regulada por el centro de inactivación X (Xic). Xic es un sitio de acción cis que contiene información que identifica el número del cromosoma X y el gen Xist. El primero asegura que solo un cromosoma esté activo, pero se desconoce el mecanismo. La pérdida de este último da como resultado una falla en la inactivación del cromosoma X. El proceso de inactivación del cromosoma X es el siguiente: el gen Xist codifica el ARN Xist y se envuelve en el cromosoma X donde se sintetiza, provocando la inactivación del cromosoma X con la amplificación del ARN Xist, juega un papel importante en el establecimiento; y mantenimiento de la inactivación del cromosoma X. Los cromosomas inactivos continúan sintetizando ARN Xist y mantienen su estado inactivo, pero el mecanismo por el cual los cromosomas X activos previenen la unión del ARN Xist no está claro.
Enfermedades relacionadas con la inactivación del cromosoma X
Las enfermedades relacionadas con la inactivación del cromosoma X se deben principalmente a la inactivación asimétrica del cromosoma X, dando como resultado aquellas con alelos mutantes. El cromosoma X está activo en la mayoría células. El síndrome de Wiskott-Aldrich se manifiesta como inmunodeficiencia, eccema y deficiencia de plaquetas y es causado por mutaciones en el gen WASP. Debido a la inactivación aleatoria de los cromosomas, las mujeres son mosaicos, portan el 50% de los genes normales y suelen ser asintomáticos. La mayoría de los hombres padecen la enfermedad. La causa de la enfermedad en las mujeres es la inactivación asimétrica del cromosoma X, en la que se inactiva demasiado del cromosoma que porta el gen WASP normal. Existe otro mecanismo en las mujeres que inactiva la mayor parte del cromosoma X que porta el gen mutado mediante inactivación asimétrica. Los estudios de la enfermedad de Pelizaeus-Merzbacher han demostrado la existencia de este mecanismo, que tiende a inactivar el cromosoma X con genes PLP mutados. El síndrome RTT también se asocia con la inactivación asimétrica del cromosoma X. Cuando se produce la inactivación del cromosoma X, las mujeres con el gen MeCP2 mutado tienden a tener el cromosoma con el alelo mutado inactivado.
Incluso en el cromosoma X inactivado, hay algunos genes que pueden escapar de la inactivación y tienen dos alelos activos, pero los niveles de expresión de los alelos que escapan a la inactivación varían mucho. Algunos genes supresores de tumores pueden perder fácilmente su función al escapar de la inactivación, que es una causa importante de cáncer femenino. También hay genes que escapan a la inactivación, aumentando la susceptibilidad a algunas enfermedades. Por ejemplo, la expresión del gen TIMP1 aumenta gradualmente con la edad, lo que provoca enfermedades de aparición tardía. Las enfermedades autoinmunes a las que las mujeres son susceptibles también están relacionadas con la inactivación del cromosoma X porque las mujeres son mosaicos. Si las células T autoinmunes no pueden tolerar los antígenos codificados por los dos cromosomas X, pueden producirse enfermedades autoinmunes como el lupus eritematoso. El papel del ARN no codificante en epigenética
El ARN no codificante funcional juega un papel importante en la expresión génica y se puede dividir en ARN no codificante de cadena larga y ARN no codificante de cadena corta según tamaño. Los ARN largos no codificantes desempeñan funciones reguladoras en cis a nivel de grupos de genes e incluso de cromosomas completos. En Drosophila, la "compensación de dosis" que regula es el ARN roX, que también tiene funciones transreguladoras. Junto con otras proteínas, forma el complejo MSL y regula la actividad del cromosoma X en los machos de Drosophila. En los mamíferos, Xist RNA regula la inactivación del cromosoma X. Tiene un motivo especial que puede interactuar con algunas proteínas para inactivar el cromosoma X. Tsix RNA es el ARN antisentido de Xist RNA, que regula negativamente Tsix y determina qué cadena se inactiva durante la inactivación aleatoria del cromosoma X. Air RNA regula la expresión de un grupo de genes que contiene tres genes que regulan el crecimiento. El ARN de cadena larga a menudo establece un patrón de expresión alélico único en el genoma, sirve como centro catalítico en el complejo de ribonucleoproteína y desempeña un papel importante en los cambios en la estructura de la cromatina.
El ARN de cadena corta regula la expresión génica a nivel del genoma. Puede mediar en la degradación del ARNm, inducir cambios en la estructura de la cromatina, determinar el destino de la diferenciación celular y degradar secuencias de ácidos nucleicos exógenos para proteger las suyas. genoma. El ARN de cadena corta común es el ARN de interferencia corto (ARNip) (microARN, miARN). El primero es el principal ejecutor de la interferencia del ARN, mientras que el segundo también participa en la interferencia del ARN pero tiene su propio mecanismo independiente.
ARN no codificante y enfermedades
El ARN no codificante juega un papel importante en la prevención de enfermedades. Hay una gran cantidad de transposones cerca del centrómero de los cromosomas, que pueden provocar la inactivación de genes e incluso provocar diversas enfermedades e incluso cáncer. Sin embargo, hay una gran cantidad de ARN de cadena corta activos en la región centromérica, que protegen la estabilidad del genoma al inhibir la transposición de transposones. Durante la división celular, las anomalías del ARN de cadena corta harán que los cromosomas no formen heterocromatina en los centrómeros, lo que provocará una división celular anormal. Si esto le sucede a las células madre, puede provocar cáncer. El ARNip puede ser inducido por ácidos nucleicos exógenos, eliminar ácidos nucleicos exógenos mediante interferencia de ARN y desempeñar un papel importante en la prevención de enfermedades infecciosas. La interferencia de ARN se ha utilizado ampliamente en la investigación de enfermedades, lo que ha aportado nuevas esperanzas para el tratamiento de algunas enfermedades importantes.
El ARN no codificante no sólo puede regular la actividad de todo el cromosoma, sino también la actividad de genes individuales, desempeñando un papel importante en la estabilidad del genoma, la división celular y la ontogenia. La interferencia de ARN es un método importante para estudiar enfermedades humanas. La modulación del efecto de la interferencia del ARN a través de otras sustancias y la comprensión de la función de la interferencia del ARN en tejidos específicos serán el foco de las futuras investigaciones sobre la interferencia del ARN.