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REVISIÓN
La impronta genómica: cláusulas de nuestro testamento genético.
Etiopatogenia
Diagnóstico
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Fecha de Publicación: 14-9-2010 Última actualización : 14-9-2010
Resumen
La impronta genómica es un proceso de regulación epigenética que establece una metilación sexo-específica diferencial en el material genético que se hereda de cada progenitor. El establecimiento de estos patrones de metilación en los gametos provoca que, tras la fecundación, ciertos genes puedan ser activos en uno de los cromosomas parentales, pero no en el otro. Como consecuencia, puede existir un único alelo activo para el gen con impronta. El entendimiento de los mecanismos que regulan la impronta genómica tiene una importancia creciente a nivel clínico y diagnóstico.
Introducción
Proceso de reprogramación de improntas en la formación de gametos

 

Uno de los dogmas centrales de la biología establece que las características que muestra un organismo adulto son el resultado de su colección de genes y de las influencias ambientales que regulan la actividad de los mismos. Simplificando mucho, somos consecuencia de lo que heredamos y de lo que nos rodea. Hasta hace relativamente poco tiempo, parecía que “lo heredable” se reducía al material genético procedente de los progenitores. Por supuesto, se conoce bastante bien la existencia y funcionamiento de muchos mecanismos que regulan la expresión de los genes, pero se asumía que estos mecanismos no eran heredables en sí, sino que cada individuo nace con su doble copia de genes cuya regulación es producto de causas ambientales, incluyendo el ambiente fisiológico en el que se produce el desarrollo. En otras palabras, no existía otra regulación genética que la desarrollada por el propio organismo.

La epigenética vino a dar una vuelta de tuerca más a este concepto, al describirse formas de regulación de la expresión génica que eran transmitidas (o transmisibles) de forma hereditaria. Podríamos decir que la epigenética establece desde la fecundación algunas de las cláusulas de nuestro testamento genético, indicando de qué forma usaremos el patrimonio genético que heredamos.

La impronta genómica (en inglés, genomic imprinting) es una de esas condiciones epigenéticas. Se trata de un proceso por el que los genomas materno y paterno se hacen distinguibles uno de otro como resultado de una metilación diferencial específica del genoma de cada uno de los gametos. La metilación es una de las formas naturales de regulación génica. En general, un gen metilado es inactivo. En el caso de la impronta, esta metilación se establece en la línea germinal durante la gametogénesis y se mantiene sin cambios a lo largo del desarrollo embrionario y postnatal. El establecimiento de estos patrones de metilación contrastantes provoca que, tras la fecundación, ciertos genes sean activos en uno de los cromosomas parentales, pero no en el otro. La consecuencia de esto a nivel genético es la presencia de un único alelo activo para el gen con impronta, lo cual tiene implicaciones clínicas cuando hay fallos en la impronta. De hecho, esta diferencia en la metilación de los pronúcleos femenino y masculino hace que sea imposible obtener zigotos a partir de dos pronúcleos femeninos o masculinos, ya que esto daría lugar a la ausencia de alelos activos para algunos genes.

Estado actual
Mecanismo de regulación de impronta en los genes H19 e Igf23

 

En la actualidad se conocen alrededor de 80 genes que sufren impronta genómica. Estos genes tienen algunas características en común. La mayoría están implicados en el desarrollo embrionario y normalmente se encuentran agrupados en el genoma, formando lo que en la terminología especializada se denominan clusters. Una vez que un gen de impronta es metilado en la línea germinal, se hace inactivo y permanece así durante la embriogénesis y el desarrollo. Debido a su proximidad en el genoma, los genes de impronta a menudo son controlados a la vez y en consecuencia, un único cambio o alteración puede llevar a fallos en el funcionamiento de varios genes. Estos cambios pueden afectar a la secuencia del ADN (el concepto clásico de mutación) o tratarse de epimutaciones, que son cambios también heredables que no alteran la secuencia del material genético.

Aunque aún no se conoce a fondo, se sabe que el proceso mediante el cual estos genes adquieren impronta genómica es muy parecido al proceso de borrado y regrabación de cualquier soporte de memoria. Este proceso de regrabado, o reprogramación si se quiere, es extremadamente importante, ya que las improntas han de transmitirse a la siguiente generación. Para explicar esta importancia hay que echar un vistazo al material de partida. Todos contamos con un juego de cromosomas con improntas procedentes del padre y otro juego de cromosomas con improntas de la madre. Pasar estos cromosomas a la siguiente generación implica reprogramar totalmente las improntas en la línea germinal para formar gametos, ya que los gametos masculinos deberán aportar únicamente improntas masculinas y con los femeninos deberá ocurrir otro tanto. Por lo tanto, durante la formación de los gametos, habrá que hacer una limpieza de improntas del sexo contrario.

La reprogramación transcurre de la siguiente manera: primeramente, en la línea germinal se eliminan las metilaciones parentales (borrado). Después se vuelve a establecer un patrón de metilación específico del sexo del gameto a formar (grabado). En este punto se establecen las improntas. La siguiente fase de esta reprogramación tiene lugar después de la fertilización y se trata de una nueva fase de eliminación de las metilaciones del embrión antes de la implantación (otro borrado), seguida de una nueva reprogramación después de la implantación (otro grabado). Aquí es donde se establece la diferencia entre los genes con impronta y otros genes metilados. La metilación en los genes con impronta resiste el segundo proceso de borrado y se mantiene a lo largo del desarrollo embrionario. Por el contrario, los genes metilados tras la implantación pueden ser activados y desactivados posteriormente mediante señales específicas en las células diferenciadas.

Se han descrito varios mecanismos del funcionamiento de la impronta. Dos muy estudiados son la impronta recíproca y la regulación de la expresión mediante una cadena antisentido. El primer caso ha sido descrito para los genes H19 e Igf2. H19 es activo en el cromosoma materno pero no en el paterno, mientras que con Igf2 ocurre al revés. La regulación de la expresión de esta pareja de genes ocurre mediante un centro de impronta (también llamado aislador, o insulator en inglés) donde se produce la metilación diferencial. Este aislador está situado entre ambos genes y es responsable de limitar la actividad de un enhancer localizado en posición 3’ con respecto a ambos genes. Si el aislador no está metilado (en el cromosoma materno), un factor de unión al centro de impronta, denominado CTCF (del inglés CCCTC-binding factor) se acopla al mismo, limitando el efecto del enhancer al gen más próximo a él, en este caso H19. Cuando el aislador está metilado (en el cromosoma paterno), el factor de unión no se puede acoplar y el efecto del enhancer puede llegar al primer gen (Igf2 en este caso), con lo que puede expresarse. Los estudios en este modelo han mostrado que en ausencia de metilasa puede llegar a silenciarse completamente la expresión de Igf2, lo que a su vez subraya la importancia de dicha actividad para el mantenimiento de este mecanismo de regulación.

La expresión del gen Igf2r es un ejemplo del segundo tipo de mecanismo, en el que la regulación de la expresión se realiza mediante la expresión de un ARN antisentido. Este gen se expresa en el cromosoma materno y en él está codificado el receptor IGFR2 (Insulin-like Growth Factor 2 Receptor). Cuando este receptor se encuentra en exceso, une Igf2. Existe en el segundo intrón de este gen una isla CpG sometida a impronta. En condiciones de impronta normales, el promotor del gen es activo en el cromosoma materno y la isla CpG está metilada. Por el contrario, en el cromosoma paterno, el promotor está metilado y la isla CpG no. Así, en el primer caso se expresa el gen, mientras que en el segundo se expresa el ARN antisentido del gen a partir de la isla CpG. Se han realizado experimentos de eliminación de la isla CpG, lo que da lugar a la restauración de la expresión del alelo paterno sin perderse la expresión del materno, lo que induce a pensar que la isla CpG es un elemento de impronta que actúa como un represor en cis del promotor del gen. Además, se pierde la expresión del transcrito antisentido, indicando que la isla CpG es necesaria para la transcripción del mismo.

¿Qué ocurre cuando se pierde la impronta? Como ya hemos adelantado, la pérdida de impronta causa diversas patologías. El impacto de la impronta genómica se manifiesta cuando el individuo tiene un alelo inactivado por impronta mientras que el que debería ser funcional es inactivado o eliminado por diferentes causas. Algunos de los ejemplos más llamativos implican la región cromosómica 11p15.5, un conocido cluster de impronta. Existen ejemplos de diferentes síndromes (como el de Prader-Willi, el de Angelman o el de Beckwith-Wiedeman) que son causados por fallos en la impronta en esta región. Muchas de estas patologías tienen un alto porcentaje de asociación con desórdenes mentales, lo que ha llevado a muchos a sugerir una relación entre esta región cromosómica y diversas patologías neurológicas, como el autismo, la enfermedad de Alzheimer o la esquizofrenia. El cáncer también ha sido asociado a pérdidas de impronta en genes supresores de tumores y oncogenes. En este sentido, el estudio y control de la impronta genómica constituye un nuevo mercado sanitario y ya hay compañías que se dedican a desarrollar medicamentos de control de la impronta, junto con otros mecanismos de regulación epigenética.

La reprogramación errónea de la impronta podría tener especial relevancia en los experimentos de obtención de clones de mamíferos mediante transferencia nuclear de tipo SCNT (Somatic Cell Nuclear Transfer) en los que se transfiere un núcleo de una célula somática a un huevo enucleado. El porcentaje de éxito que se obtiene mediante esta técnica es bajo, ya que muchos embriones mueren durante el desarrollo tras la implantación. Se ha estudiado la reprogramación de los embriones con fecundación natural frente a aquellos embriones obtenidos mediante clonación. En el caso de los alelos procedentes del padre, la desmetilación antes de la implantación es rápida (cuatro horas), mientras que la de los alelos maternos es pasiva y sostenida a lo largo del tiempo hasta el estadio de mórula. A partir de aquí, durante el paso a blástula, los blastocistos de la masa interna establecen sus patrones de metilación, mientras que los del trofoectodermo (que dará lugar a la placenta) se mantienen hipometilados.

Los embriones clonados por el contrario, no sufren la desmetilación previa a la formación de la blástula, sino que comienzan a establecen sus patrones de metilación mucho antes, sumando nuevas metilaciones a las ya existentes en la fecundación. Como resultado, las células del trofoectodermo no están hipometiladas. Cuando el embrión alcanza el estadio de 32 a 64 células no hay diferencia entre el grado de metilación del trofoectodermo y de la masa celular interna del blastocisto. Esto implica cambios potencialmente graves en la reprogramación epigenética de los embriones, lo cual podría ser una de las causas de los fallos en el desarrollo de los embriones clonados.

Conclusiones
papel de la impronta en la expresíón del gen Igfr2

 

Como vemos, la impronta genómica parece ser un mecanismo esencial para el desarrollo embrionario. Actualmente es considerado un punto de control natural que equilibra las contribuciones genéticas de ambos sexos al desarrollo del zigoto. Sin embargo, a pesar de la gran cantidad de estudios realizados sobre la impronta genómica y del descubrimiento de más de 80 genes regulados mediante este mecanismo, todavía queda mucho camino que recorrer para llegar a entender completamente la funcionalidad y organización del mismo.

Muchos de los esfuerzos están siendo dirigidos hacia la identificación de más genes sometidos a impronta y al entendimiento de la mecánica que los gobierna. Actualmente hay dos grandes formas de aproximarse a este problema: por un lado estudios a escala genómica (genome wide screening) en los que se trata de descubrir diferencias a nivel de genoma en las secuencias de todos los genes con impronta frente a los genes control y por otro, el estudio de genes individuales utilizando animales knockout,  esto es, animales modificados genéticamente de forma que presentan un gen concreto inactivado o eliminado.

También quedan todavía cuestiones fundamentales que resolver respecto al propio mecanismo de la impronta genómica. ¿Cuáles son las señales que inician el establecimiento de la impronta? Aunque hemos visto algunos procesos que mantienen el mecanismo de la impronta de generación en generación, el mecanismo preciso que decide la especificidad de una impronta hacia un determinado sexo es desconocido. En este sentido, los diferentes estudios de knockout de genes relacionados con la diferencia entre sexos podrían identificar los genes responsables del inicio de una impronta. También la comparación de improntas genómicas entre especies de mamíferos (por ejemplo, ratones y humanos) proporcionará resultados relacionados con la evolución de este sistema regulador.

Finalmente, y desde el punto de vista más amplio de la epigenética, hay proyectos (como el NIH Roadmap Epigenetic Project o el Human Epigenetic Project) que persiguen entre otras cosas la identificación y catalogación de los patrones globales de metilación en el genoma humano, ya que se piensa que estos patrones pueden ser estupendos biomarcadores para un número importante y aún no determinado de estados patológicos. Esto contribuiría al desarrollo de sistemas de diagnóstico que analicen de forma temprana la predisposición hacia determinadas enfermedades o desórdenes relacionados con cambios epigenéticos.

Bibliografía