Caracteristicas moleculares del control epigenetico

Las características moleculares del control epigenético.

Resumen | En los últimos 20 años, descubrimientos revolucionarios de enzimas modificadoras de la cromatina y mecanismos asociados que alteran la cromatina en respuesta a señales fisiológicas o patológicas han transformado nuestro conocimiento de la epigenética de una colección de curiosos fenómenos biológicos a un campo de investigación diseccionado funcionalmente. Aquí ofrecemos una perspectiva personal sobre el desarrollo de la epigenética, desde sus orígenes históricos hasta lo que definimos como "la era moderna de la investigación epigenética". Destacamos principalmente los mecanismos moleculares clave y los avances conceptuales en el control epigenético que han cambiado nuestra comprensión del desarrollo normal y perturbado.

En 1942, Waddington acuñó el término "epigenética", que definió como cambios en el fenotipo sin cambios en el genotipo, para explicar aspectos del desarrollo para los que había poca comprensión mecanicista. Casi tres cuartos de siglo más tarde, sabemos que los mecanismos epigenéticos la transducción de la herencia de patrones de expresión de genes  sin alterar la secuencia de ADN subyacente, sino adaptando la cromatina, que es la forma fisiológica de nuestra información genética.  Los mecanismos epigenéticos funcionan además de la plantilla de ADN para estabilizar los programas de expresión génica y canalizar así las identidades de tipo celular. Esta importancia del control epigenético ha sido reconocida durante mucho tiempo, pero la definición enzimática de distintos estados de la cromatina que estimulan o reprimen la actividad génica era escasa. Los avances tecnológicos, como la inmunoprecipitación de la cromatina seguida de la secuenciación de próxima generación (ChIPseq) y sus variaciones, han permitido el análisis del epigenoma en la resolución del par de bases o cerca de ella y permitió el "perfil epigenómico" en células y tejidos normales y anormales . En algunos casos, el perfil epigenómico ha servido para definir mejor elementos críticos de control del ADN, tales como potenciadores de genes y promotores.

Cuando se combina con análisis de secuencias de ADN, se han obtenido conocimientos sobre los procesos de la enfermedad. La mayoría de las modificaciones epigenéticas conocidas de la cromatina son reversibles, ofreciendo una promesa considerable para las terapias basándose en la naturaleza adaptativa del control epigenético. La epigenética ha sido y seguirá siendo una de las áreas de investigación más innovadoras en la biología y medicina modernas.

Aquí, revisamos el desarrollo de la epigenética desde sus orígenes históricos hasta la "era moderna de la investigación epigenética", que definimos como los últimos veinte años de 1996 a 2016. Describimos descubrimientos seminales que culminaron en la definición enzimática de estados de cromatina que son Representante de la actividad de genes (euchromatin) y la represión de genes (heterocromatina), así como ideas mecánicas sobre el papel de la epigenética en la estabilidad de la cromatina, la regulación de genes, silenciamiento transcripcional y la reversibilidad de las modificaciones de histonas y metilación del ADN. Proporcionamos una visión general de cómo estos conocimientos mecanicistas, a su vez, han permitido una mejor comprensión de las identidades de tipo celular por cromatografía del genoma de perfiles y han abierto nuevas vías para la investigación de la reprogramación, la respuesta de la cromatina al medio ambiente, la terapia epigenética para Mejorar la salud humana y la herencia de cromatina. Describimos muchos - pero de ninguna manera todos - descubrimientos revolucionarios y destacamos principalmente importantes avances mecanicistas y conceptuales. Se citan los documentos primarios seminales, pero para discusiones en profundidad y referencias adicionales el lector a veces se refiere al libro de texto Epigenética u otras revisiones oportunas.

Fundación de la epigenética.

El trabajo pionero llevado a cabo entre 1869 y 1928 por Miescher, Flemming, Kossel y Heitz definió los ácidos nucleicos, la cromatina y las proteínas histonas, lo que condujo a la distinción citológica entre eucromatina y heterocromatina (Figura 1a). Esto fue seguido por los estudios innovadores de Muller (en Drosophila melanogaster) y McClintock6 (en maíz) sobre la variación de posición-efecto (PEV) y elementos transponibles, proporcionando indicios tempranos de la herencia no Mendeliana. Las descripciones de los fenómenos de inactivación e impresión de los cromosomas X llevaron al concepto general de que un mismo material genético puede mantenerse en diferentes estados 'on' versus 'off' en el mismo núcleo, pero sus mecanismos subyacentes eran poco comprendidos.

Metilación del ADN. Las modificaciones químicas de las bases de ADN se detectaron ya en 1948 (REF. 10) y Holliday y Pugh propusieron un papel para la metilación del ADN, en particular para la 5-metilcitosina (5mC), en la regulación génica . En 1980, se estableció la conexión funcional entre la metilación del ADN y la represión génica, así como la existencia de islas CpG. La primera "droga epigenética", la 5-azacitidina (también conocida como 2'-desoxi-5-azacitidina y más tarde llamada decitabina), que bloquea la metilación del ADN, se usó para alterar la expresión génica y fenotipos en las líneas celulares de fibroblastos. Poco después, Feinberg y Vogelstein informaron sobre la hipometilación global del ADN en el cáncer y, una década más tarde, se describió la hipermetilación local del ADN de genes supresores de tumores - hallazgos que fueron revisados ​​colectivamente. Estas intuiciones dieron una razón convincente para perseguir la enzimología de la metilación del ADN. La purificación y clonación exitosas de la enzima ADN de ratón (citosina-5) metiltransferasa 1 (DNMT1) y la generación y análisis de ratones mutantes Dnmt1 demostraron importantes avances hacia este objetivo. Durante el mismo periodo de tiempo, se identificó la primera proteína de unión a ADN-metilo, MeCP2 (proteína de unión a metil-CpG 2). La metilación del ADN y 5mC (considerada la "quinta base") se había establecido firmemente como un mecanismo epigenético crucial en muchos, pero no en todos los organismos.

Figura 1 | Euchromatin y heterocromatina. A | Estados terrestres citológicamente visibles de cromatina activa (eucromática) y reprimida (heterocromática). Representación esquemática de dos núcleos interfásicos de células somáticas femeninas de ratón: el núcleo izquierdo muestra coloración amplia y descondensada de secuencias de ADN únicas y el núcleo derecho muestra los focos heterocromáticos característicos (puntos negros) que son visualizados por DAPI (4 ', 6-diamidino- 2-fenilindol) de secuencias repetidas ricas en AT. Además, está indicado el cuerpo de Barr densamente manchado (un cromosoma X inactivo (Xi)) en la periferia nuclear. En los primeros años, los citólogos utilizaron diversos colorantes de cromatina y fluorocromos de unión al ADN para discriminar eucromática (condensación y tinción clara) de las regiones heterocromáticas (tinción compacta y densa) en la cromatina eucariótica. B |Definición enzimática de estados de cromatina que estimulan la actividad génica (histona acetilación por p55 (también conocido como Gcn5)) o reprimir la actividad del gen (metilación histona por Su (var) 3-9 homólogo 1 (SUV39H1)). En 1996, la histona acetiltransferasa nuclear (HAT) p55 de Tetrahymena thermophila se describió como un co-activador transcripcional que acetila la cola amino-terminal de la histona H3. La acetilada (Ac) lisina en H3 (H3K14ac) proporciona un sitio de acoplamiento para las proteínas accesorias que contienen el dominio bromo (Bromo) que se unen y estimulan además la accesibilidad nucleosómica y la actividad transcripcional. La acetilación histona puede ser revertida por las histonas desacetilasas opuestas (HDAC), que a menudo causan represión transcripcional. En 2000, la histona lisina metiltransferasa humana (KMT) SUV39H1 se describió como un orthologue de un Drosophila melanogaster Su (var) factor de variación de posición-efecto que metilates la histona H3 N-terminal de la cola. El H3K9 trimetilado (H3K9me3) proporciona un sitio de acoplamiento para la cromo-cromo (Chromo) que contiene la proteína heterocromatina 1 (HP1), que luego perjudica la accesibilidad de los nucleosomas e induce la represión genética. La reversibilidad de la metilación de lisina histona no se conocía en ese momento.

El nucleosoma. Los estudios de muchos grupos llevaron al modelo ampliamente aceptado de organización nucleosómica de la cromatina, que se articuló primero en una teoría provocativa -el modelo de la subunidad de la cromatina- presentada en 1974 (REF.22) y visualizada por la estructura cristalina de rayos X La partícula histona octamer-DNA en 1997 (REF.23). Como se demostró, la unidad básica de la fibra de la cromatina es la partícula núcleo nuclear, que está compuesta por dos copias de cada una de cuatro proteínas histonas (un octamer de histonas) que empaqueta 147 pb de ADN.

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