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Revisio´n
Herencia epigene´tica (metilacio´n del a´cido desoxirribonucleico): contexto clı´nico en neurodegeneraciones y gen ATXN2 Jose´ Miguel Laffita-Mesa a,b,* y Peter Bauer c a
Centro para la Investigacio´n y la Rehabilitacio´n de la Ataxia Hereditaria (CIRAH), Holguı´n, Cuba Academia de Ciencias de Cuba, Rama de Biomedicina, Habana, Cuba c Department of Neuroscience, Mayo Clinic, Jacksonville, FL, Estados Unidos b
´ N D E L A R T I´ C U L O INFORMACIO
R E S U M E N
Historia del artı´culo: Recibido el 23 de agosto de 2013 Aceptado el 14 de noviembre de 2013 On-line el xxx
La epigene´tica es el colectivo de cambios en el fenotipo debidos a procesos que surgen independientes de la secuencia primaria del ADN. Esta´ ı´ntimamente relacionada con los cambios en los niveles y perfiles de expresio´n de los genes. Estos cambios esta´n mediados por las modificaciones en las colas de histonas cromatineanas, la metilacio´n del ADN, los micro-ARN y la remodelacio´n de la cromatina, constituyendo los fundamentos de la herencia epigene´tica. La metilacio´n del ADN involucra la adicio´n del grupo metilo a la citosina del ADN geno´mico. Esta reaccio´n es mediada por las enzimas metiltransferasas. La metilacio´n regula la expresio´n ge´nica, reprimiendo la transcripcio´n, en tanto que su ausencia activa la expresio´n. Varias enfermedades humanas, como el ca´ncer, la enfermedad de Alzheimer, el ictus, el Parkinson o la diabetes mellitus tipo 2, esta´n vinculadas a procesos epigene´ticos. En este trabajo se presentan las bases de la herencia epigene´tica con e´nfasis en la metilacio´n del ADN. Tambie´n se ilustran los mecanismos patoge´nicos que relacionan a la epigene´tica con varias enfermedades humanas y, ma´s especı´ficamente, las neurodegeneraciones. Discutimos los conceptos actuales para poder entender la contribucio´n de la epigene´tica en enfermedades neurodegenerativas. Se enfatiza en los hallazgos obtenidos por nuestro laboratorio y otros investigadores en el gen ATXN2, causante de la ataxia espinocerebelosa tipo 2 y otras enfermedades neurodegenerativas, como ˜ an un rol primordial en la la esclerosis lateral amiotro´fica. Los procesos epigene´ticos desempen patoge´nesis de varias enfermedades humanas y en varias neurodegeneraciones. Este conocimiento ha impulsado un desarrollo tecnolo´gico en las te´cnicas de ana´lisis de los patrones de metilacio´n y se proyectara´ al a´rea terape´utica. ß 2013 Elsevier Espan˜a, S.L. Todos los derechos reservados.
Epigene´tica Metilacio´n Cromatinas Microa´cido ribonucleico Neurodegeneracio´n ATXN2
Epigenetic heredity (deoxyribonucleic acid methylation): Clinical context in neurodegenerative disorders and ATXN2 gene A B S T R A C T
Keywords: Epigenetics, Methylation, Chromatin, Micro-ribonucleic acid Neurodegeneration ATXN2
Epigenetics is the group of changes in the phenotype which are related with the process independently of the primary DNA sequence. These changes are intimately related with changes in the gene expression level and its profile across the body. These are mediated by histone tail modifications, DNA methylation, micro-RNAs, with chromatin remodeling remaining as the foundation of epigenetic changes. DNA methylation involves the covalent addition of methyl group to cytosine of the DNA, which is mediated by methyltransferases enzymes. DNA methylation regulates gene expression by repressing transcription, while de-methylation activates gene transcription. Several human diseases are related with the epigenetic process: cancer, Alzheimer disease, stroke, Parkinson disease, and diabetes. We present here the basis of epigenetic inheritance and show the pathogenic mechanisms relating epigenetics in human diseases, specifically with regard to neurodegeneration. We discuss current concepts aimed at understanding the contribution of epigenetics to human neurodegenerative diseases. We also discuss recent findings obtained in our and other centers regarding the ATXN2 gene that causes spinocerebellar
* Autor para correspondencia. Correos electro´nicos: laffi[email protected], laffi[email protected] (J.M. Laffita-Mesa). ˜ a, S.L. Todos los derechos reservados. 0025-7753/$ – see front matter ß 2013 Elsevier Espan http://dx.doi.org/10.1016/j.medcli.2013.11.025
Co´mo citar este artı´culo: Laffita-Mesa JM, Bauer P. Herencia epigene´tica (metilacio´n del a´cido desoxirribonucleico): contexto clı´nico en neurodegeneraciones y gen ATXN2. Med Clin (Barc). 2014. http://dx.doi.org/10.1016/j.medcli.2013.11.025
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ataxia 2 and amyotrophic lateral sclerosis. Epigenetics play a pivotal role in the pathogenesis of human diseases and in several neurodegenerative disorders, and this knowledge will illuminate the pathways in the diagnostic and therapeutic field, which ultimately will be translated into the clinic context of neurodegenerative diseases. ß 2013 Elsevier Espan˜a, S.L. All rights reserved.
otras enfermedades neurolo´gicas, como la esclerosis lateral amiotro´fica (ELA).
Introduccio´n Epigene´tica: la nueva ciencia de la gene´tica
Desarrollo La epigene´tica, para muchos la nueva ciencia de la gene´tica, se define como el colectivo de cambios en el fenotipo debidos a procesos que surgen independientes de la secuencia primaria del ADN. Estas alteraciones heredables en los genes se transmiten a trave´s de la mitosis y la meiosis1. Varios autores proponen 2 ramas de la epigene´tica con una divisio´n a veces difusa entre ellas: i) la estructural, basada en la transmisio´n de estructuras alternativas de las macromole´culas y complejos macromoleculares, y ii) la regulatoria, basada en los estados alternativos de las rutas metabo´licas o regulatorias2, la que abordaremos mucho ma´s profundamente en este artı´culo. A nivel molecular comprende las modificaciones del ADN, las histonas, la interferencia por ARN, y el efecto de posicionamiento de los nucleosomas y los cromosomas. Los procesos relacionados con priones y su autoperpetuacio´n a partir de un polipe´ptido se clasifican tambie´n como procesos epigene´ticos2. Varias son las funciones de la epigene´tica; solo por mencionar ˜ ales algunas: la pluripotencia de ce´lulas troncales depende de sen ambientales y mecanismos epigene´ticos como la metilacio´n del ADN, las modificaciones de histonas y los micro-ARN (mi-ARN), lo cual tiene un rol primordial en co´mo estas ce´lulas responden al ambiente. Tambie´n, hoy se sabe que la regulacio´n ge´nica mediada por procesos epigene´ticos es necesaria para los cambios en el desarrollo del cerebro, y adema´s para modular el impacto de las experiencias tempranas reflejadas en los estados de salud y riesgo frente a enfermedades. Las afecciones neurolo´gicas tienen un gran componente epigene´tico. Esto se hace mucho ma´s evidente no solo en los ampliamente caracterizados epigene´ticamente sı´ndromes de Rett, o el de cromosoma X fra´gil, sino tambie´n en la enfermedad de Alzheimer (EA) y la de Huntington (EH), ambos, trastornos neurodegenerativos, ası´ como en otros, neuropsiquia´tricos y del comportamiento, como el autismo, la depresio´n y la esquizofrenia, los cuales se asocian tambie´n con alteraciones epigene´ticas. En este artı´culo se enfatiza en los fundamentos de la herencia epigene´tica, especı´ficamente en la metilacio´n del ADN, ası´ como su rol en enfermedades humanas, como las neurodegeneraciones, y ma´s alla´, en hallazgos recientes en el gen ATXN2, causante de la spinocerebellar ataxia (SCA, «ataxia espinocerebelosa») tipo 2, y de
Metilacio´n e hidroximetilacio´n de la citosina La metilacio´n de la citosina representa uno de los mecanismos epigene´ticos ma´s importantes para la regulacio´n ge´nica, y consiste en la adicio´n del grupo metilo en la posicio´n 5’ del anillo pirimidı´nico de la citosina, lo cual es mediado por las enzimas DNA methyltransferase (DNMT, «metiltransferasa del ADN») usando la Sadenosilmetionina (SAM) como compuesto donante del grupo metilo3 (fig. 1). La metilacio´n del ADN en la posicio´n 5’ de la citosina (5-metilcitosina) tı´picamente ocurre en el contexto del dinucleo´tido CpG, y la metilacio´n de las secuencias de CpG puede inducir modificaciones conformacionales inhibiendo el acceso de la maquinaria transcripcional a las regiones promotoras, alterando los niveles de expresio´n ge´nica. La hipermetilacio´n de promotores se asocia con el silenciamiento ge´nico, y la demetilacio´n, con expresio´n ge´nica3. Las enzimas de la familia ten-eleven translocation (TET, «translocacio´n diez-once») convierten la 5-metilcitosina en 5hidroximetilcitosina (5-hmc), la cual es una forma modificada de la citosina 5’ hidroximetilada. Guo et al.4 demostraron que la enzima 5-hidroximetilasa TET, mediante la conversio´n de 5-metilcitosina a 5-hmc, promueve la demetilacio´n del ADN en mamı´feros a trave´s de procesos que requieren la participacio´n de enzimas de la ruta de reparacio´n mediante escisio´n de bases. La demetilacio´n de 5-hmc se promueve por activacio´n de la deaminasa inducida y el apolipoprotein B mRNA editing enzyme, catalytic polypeptide-like (APOBEC, «enzima editora de la apolipoproteı´na B mediante ARNm semejante al polipe´ptido»), familia de la citidina deaminasa. Por otra parte, Tet1 y Apobec1 esta´n involucradas en la actividad neuronal inducida en regiones especı´ficas del sistema nervioso central (SNC), en la demetilacio´n activa y en la subsecuente expresio´n ge´nica en el giro dentado de ratones adultos4. Tambie´n a la 5-hmc se la conoce como la sexta base del ADN, despue´s de adenina, guanina, timina, citosina y 5-metilcitosina, y esta base esta´ altamente representada en el cerebro5. Su baja afinidad por las proteı´nas fijadoras del grupo metilo evidencia que podrı´a tener distintas funciones en la regulacio´n de la expresio´n ge´nica; adema´s, esta´ implicada en el proceso de
NH2 N
CH3
+ H3N
+S
CH2
H2C
H
H
OH
OH
H 2C
N
O
H
N N Metiltransferasa
H
CH COO
NH2 N
X –
CH3-X
S
CH2
H2C
H
N
O
H 2C H + OH H3N CH
N N
H H OH
COO–
SAM
SAH
Figura 1. Reaccio´n general de la transferencia del grupo metilo dependiente de SAM, estructura y cosustratos. La figura muestra la reaccio´n catalizada por la enzima metiltransferasas de un aceptor X de grupos metilo, con el donante SAM y los productos SAH y el sustrato metilado CH3-X. Esta es una reaccio´n regulada negativamente por el producto SAH y su concentracio´n es el principal determinante de la actividad enzima´tica en varios tejidos. SAH: S-adenosylhomocysteine («S-adenosilhomocisteı´na»); SAM: S-adenosylmethionine («S-adenosilmetionina»). Tomada de Ulrey et al.3, 2005, con permiso de Oxford Press.
Co´mo citar este artı´culo: Laffita-Mesa JM, Bauer P. Herencia epigene´tica (metilacio´n del a´cido desoxirribonucleico): contexto clı´nico en neurodegeneraciones y gen ATXN2. Med Clin (Barc). 2014. http://dx.doi.org/10.1016/j.medcli.2013.11.025
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demetilacio´n. Tambie´n contribuye 5-hmc a la regulacio´n de la pluripotencia de las ce´lulas madre y esta´ conectada, adema´s, con los procesos del desarrollo y la carcinoge´nesis. Se cree que afecta tambie´n el marcaje del ADN con 5-metilcitosina en el cerebro, posiblemente convirtiendo 5-metilcitosina en 5-hmc por las enzimas TET6. Modelos explicativos de la contribucio´n epigene´tica a enfermedades neurodegenerativas humanas
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Genética SNP
SNP
C A T G T . . . A A Cm G T . . . A T G G G C A T G T... A A C
G T ... A T G G G
C A G G T . . . A A Cm G T . . . A T A G G C A G G T... A A C
G T ... A T A G G
Genotipaje Modelo latent early-life associated regulation Cada vez se hace ma´s evidente que el comienzo, la progresio´n y la gravedad de gran parte de las enfermedades neurolo´gicas son el resultado de una mala adaptacio´n al estre´s endo´geno y exo´geno, siendo este el resultado de la vulneracio´n, mediante alteraciones gene´ticas o marcas epigene´ticas, o ambas, de la capacidad celular de responder a estı´mulos estresantes. Los cambios epigene´ticos pueden ocurrir en estadios tempranos de la vida y hacerse manifiestos en la edad adulta y la vejez. Esta teorı´a se conoce como el modelo latent early-life associated regulation (LEARn)7. Segu´n esta teorı´a, los factores ambientales pueden «envenenar» el genoma mediante marcas epigene´ticas en fases tempranas de la vida, posiblemente durante la vida in utero. En gran medida este modelo explica la observacio´n de que los procesos neurodegenerativos comienzan mucho antes de la ˜ ales moleculares. manifestacio´n de los sı´ntomas clı´nicos o de sen Este concepto permite explorar la interaccio´n con el ambiente en las etapas iniciales de la vida para prevenir eficientemente la neurodegeneracio´n. El «hepitipo» Las neurodegeneraciones muestran una gran variabilidad fenotı´pica aun bajo el mismo contexto gene´tico, lo que hace divisar como posible explicacio´n el componente epigene´tico. Para esto se ha puesto en marcha el Human Epigenome Project (http:// www.epigenome.org/data/), que pretende determinar las posiciones de metilacio´n variable en el genoma para determinar susceptibilidad diferencial a enfermedades y la variabilidad fenotı´pica en cuanto a inicio, progresio´n, etc.8. Este proyecto esta´ orientado al epigenotipaje masivo de las marcas epigene´ticas transmitidas verticalmente. Unido a este desarrollo tecnolo´gico se ha derivado un concepto explicativo de la variabilidad fenotı´pica, en ausencia de heterogeneidad ale´lica y en presencia de epialelos8,9. Una generalizacio´n de este concepto serı´a que en presencia de fenotipos discordantes y con alelos similares, la presencia de sitios de metilacio´n variable y su estatus de metilacio´n pudiera definir la diferencia fenotı´pica. Este concepto lleva implı´cito el acceder a la informacio´n gene´tica en su nivel ma´s ı´ntimo, como es el perfil de haplotipo de polimorfismo de un solo nucleo´tido, combinado con la identificacio´n de perfiles de metilacio´n de motivos CpG en un gen o genoma. Para esto, Murell et al.8, en analogı´a con el haplotipo, proponen la existencia del «hepitipo», el cual combina ambas informaciones, gene´tica y epigene´tica, permitiendo diseccionar ambas contribuciones al fenotipo (fig. 2). Epigene´tica y enfermedades neurodegenerativas Las enfermedades neurodegenerativas se caracterizan por la pe´rdida gradual de ce´lulas en el sistema nervioso. En el SNC esa pe´rdida tiene consecuencias devastadoras sobre la cognicio´n y la locomocio´n, dado que las neuronas tienen una capacidad limitada de regenerarse. La EA, la (EH), la enfermedad de Parkinson (EP), la distrofia mioto´nica (DM), la ELA y las ataxias de Friedreich (AF)y SCA7 tienen una base epigene´tica10–12. Describiremos algunas de las evidencias que apoyan este punto de vista en ELA, AF y SCA7.
Haplotipo 1
T.G
Sin efecto fenotípico
Haplotipo 2
G.A
Algun efecto fenotípico
Hepitipo h1: 2e
T C
G
Sin efecto fenotípico
Hepitipo h1: 1e
T Cm G
Sin efecto fenotípico
Hepitipo h2 : 1e
G Cm
A
Sin efecto fenotípico
Hepitipo h2 : 2e
G C
A
Efecto fenotípico neto
Epitipo 1
. Cm .
Sin efecto fenotípico
Epitipo 2
.C .
Algun efecto fenotípico
Epigenotipaje C A T G T . . . A A Cm G T . . . A T G G G C A T G T... A A C
G T ... A T G G G
C A G G T . . . A A Cm G T . . . A T A G G C A G G T... A A C
G T ... A T A G G
SMV
Epigenética Figura 2. Concepto ba´sico de hepitipos: genotipaje para SNP, lo cual define el haplotipo (panel superior) y el epigenotipado de posiciones con metilacio´n variable, lo cual definirı´a a los epitipos (panel inferior). Estas 2 estrategias permiten definir los hepitipos, los cuales esta´n asociados a un fenotipo de determinada enfermedad y que pudiera no detectarse usando las 2 estrategias de manera independiente. SNP: polimorfismo de un solo nucleo´tido. Tomada de Murrell et al.8, 2005, con permiso de Oxford Press.
Esclerosis lateral amiotro´fica La ELA es una enfermedad neurodegenerativa que afecta tanto motoneuronas inferiores, del tallo cerebral y de la me´dula espinal, como las motoneuronas de la corteza. La ELA afecta a 6-8 de cada 100.000 personas en todo el mundo, considera´ndose una enfermedad no rara. La pe´rdida progresiva de motoneuronas conduce a la atrofia muscular, la debilidad, fasciculaciones y espasticidad. La generalizacio´n de la enfermedad en el paciente ˜ os. Existen evidencias causa la muerte generalmente en unos 2 an claras de que factores gene´ticos contribuyen de forma multifactorial o monoge´nica al inicio y desarrollo de la ELA; dentro de estos genes esta´n TDP43, FUS, SOD1, ATXN2 y C9ORF7213. Al menos para SOD1, se propone que el mecanismo primordial que desencadena la cascada patolo´gica en la ELA es la agregacio´n de proteı´nas misfolded, o la presencia de precursores oligome´ricos complejos, lo que da al traste con la homeostasis de proteı´nas celulares, induciendo estre´s celular. Esto, a su vez, interfiere con varias funciones celulares, como el transporte, la arquitectura celular y la funcio´n mitocondrial, causando estre´s celular, retraccio´n axonal, y ulteriormente, muerte celular14. Se han descrito casos asociados al gen ELP3, que codifica la unidad catalı´tica de la histona acetiltransferasa del complejo de elongacio´n 3. Esta mole´cula, ELP3, regula la expresio´n de Hsp70 a trave´s
Co´mo citar este artı´culo: Laffita-Mesa JM, Bauer P. Herencia epigene´tica (metilacio´n del a´cido desoxirribonucleico): contexto clı´nico en neurodegeneraciones y gen ATXN2. Med Clin (Barc). 2014. http://dx.doi.org/10.1016/j.medcli.2013.11.025
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de las modificaciones H3K14 y la acetilacio´n de H4K8. La sobreexpresio´n de Hsp70 permite el aclaramiento de los agregados en un modelo murino10,15, y adema´s, protege contra la muerte celular inducida por SOD1 mutante en modelos neuronales in vitro16. Esto evidencia una conexio´n indirecta de un mecanismo regulatorio epigene´tico cadena arriba, en la cascada neurodegenerativa de la SOD1 mutante. Por otra parte, dado que no se conocı´a si la metilacio´n aberrante podı´a causar neurodegeneracio´n, se planteo´ que las DNMT mediaban la muerte neuronal en ELA. El reforzamiento de la expresio´n de Dnmt3a indujo degeneracio´n de ce´lulas NSC34 aparejado a la induccio´n del factor apopto´tico camptotecina y aumento de Dnmt1 con acumulacio´n 5-metilcitosina en nu´cleo. La estrategia contraria de supresio´n de las DNMT mediante inhibicio´n farmacolo´gica, silenciamiento por ARNi o mutage´nesis bloqueo´ la metilacio´n de CpG y la apoptosis en motoneuronas murinas. Todo esto fue confirmado en motoneuronas humanas modelo de ELA, concluye´ndose que la neurodegeneracio´n en ELA podı´a regularse epigene´ticamente mediante metilacio´n del ADN17. Ataxia de Friedreich La AF es una enfermedad autoso´mica recesiva ocasionada por una mutacio´n homocigo´tica en el gen FRDA. El gen de la frataxina, en su forma mutada, tiene una expansio´n del triplete GAA responsable de la AF. Esta mutacio´n se situ´a en el intro´n 1 e interfiere con la expresio´n de la frataxina, que es una proteı´na decisiva en el metabolismo del hierro y que se localiza en la mitocondria. La pe´rdida de funcio´n de la proteı´na esta´ relacionada con alteraciones en el metabolismo del hierro y de los centros hierro-azufre, ası´ como con el estre´s oxidativo, todo lo cual tiene una repercusio´n siste´mica que es responsable de las manifestaciones clı´nicas de la AF18. El intro´n 1 del gen FRDA contribuye a la actividad promotora del gen y contiene residuos CpG metilables19. Se ha visto que la expresio´n de la versio´n mutada es regulada por el patro´n de metilacio´n, influyendo en el inicio del sı´ndrome y la gravedad del fenotipo20. La metilacio´n es responsable del 30% de la variabilidad en la edad de comienzo, adema´s de la contribucio´n del fondo gene´tico y de los factores ambientales. Estos mismos autores observaron que la metilacio´n de este promotor se ˜ o de la expansio´n GAA21. correlaciona con el taman Ataxia espinocerebelosa tipo 7 Al igual que la AF, la SCA7 es causada por una expansio´n de tripletes, pero de CAG, y a diferencia de AF, este triplete se localiza en una regio´n codificante en el gen correspondiente ATXN7 y se traduce en un segmento poliglutamı´nico. La ataxia SCA7 se hereda siguiendo una herencia autoso´mica dominante. Como consecuencia del contexto geno´mico, del haplotipo cercano a la expansio´n, este segmento es inestable gene´ticamente, o sea, puede heredarse con una mutacio´n mucho ma´s larga o ma´s corta, afectando el fenotipo. En tejidos no germinales esta inestabilidad se evidencia en un patro´n ordenado en «diente de serrucho», que representa ˜ os de CAG poblaciones celulares que tienen diferentes taman (conocido por mosaicismo soma´tico) y que contribuye a la patoge´nesis. Esta inestabilidad del triplete de CAG es caracterı´stica de las enfermedades por trinucleo´tidos, denomina´ndolas mutaciones dina´micas. Se ha planteado que la metilacio´n del sitio de unio´n del factor transcripcional CTCF desestabiliza las expansiones de tripletes, de la misma manera que lo hacen mutaciones en este sitio. Esto se evidencio´ por inestabilidad germinal y soma´tica en un modelo murino de SCA722. Previamente se vio´ que los sitios de unio´n de CTCF flanquean a las repeticiones de CTG/CAG en varios loci asociados con enfermedades de esta naturaleza, como la DM, la DRPLA, la SCA2 y la EH, pero no para los genes de SCA1, SCA6 y
SBMA23. Por ello, gran parte de la inestabilidad de los segmentos de CAG se justifica por la presencia de sitios de CTCF en 5 de los 8 genes causantes de enfermedades poliglutamı´nicas, si bien en otros genes donde no se observan sitios de este tipo, como el ATXN1, la influencia de la epigene´tica no se desestima. En SCA1 la supresio´n de la Dnmt1 incrementa la inestabilidad del CAG del locus ATXN1, ası´ como aumenta la metilacio´n aberrante en la lı´nea germinal de un modelo murino de esta enfermedad24. Metilacio´n epigene´tica y mutacio´n en la ataxia espinocebelosa tipo 2 (ATXN2) La SCA2 es causada por una expansio´n ano´mala del triplete de CAG en el gen codificante de la ataxina-2. Las caracterı´sticas patolo´gicas de la SCA2 son la atrofia y pe´rdida de las ce´lulas de Purkinje del cerebelo, manifesta´ndose clı´nicamente como de´ficit de la coordinacio´n motora que afecta la mirada, la prosodia, la marcha y la estabilidad postural25. En dependencia de la longitud de esta expansio´n, se han identificado un elenco de enfermedades neurolo´gicas y neuropsiquia´tricas. Estos niveles de variabilidad fenotı´pica no son explicables solamente por la heterogeneidad gene´tica. Previamente se propuso que la metilacio´n del ADN alelo especı´fica disminuye la gravedad de la SCA226. Por tanto, las diferencias fenotı´picas interindividuales que no pueden explicarse solo por la contribucio´n del CAG podrı´an estar dadas por diferencias en la capacidad de metilacio´n de novo entre los pacientes con SCA2. La pleiotropı´a de esta mutacio´n tambie´n evidencia un componente epigene´tico diferencial en los tejidos, ası´ como en los estadios de la vida. Recientemente, nuestro grupo demostro´ que la metilacio´n del ADN se asocia al alelo mutante y que modula la gravedad de la enfermedad27. Adema´s, esta marca epigene´tica tambie´n tuvo un efecto en trans sobre el inicio de la SCA3. En portadores homocigo´ticos de la mutacio´n SCA2 (o sea, sin heterogeneidad ale´lica), se demostro´ un patro´n de metilacio´n consistente con hipermetilacio´n y retardo en el inicio o ausencia de sı´ntomas clı´nicos, siendo reminiscencia del concepto de «hepitipo». Dado que esta mutacio´n tambie´n esta´ involucrada con otras neurodegeneraciones como el parkinsonismo y la ELA, es muy probable que parte de la contribucio´n epigene´tica de estas enfermedades se atribuya al patro´n de metilacio´n del gen ATXN2. Existen otros hallazgos que ligan este locus y su producto ge´nico con procesos epigene´ticos. La funcio´n de ataxina-2 es desconocida, sin embargo, recientemente se situo´ esta en la ruta de los mi-ARN, siendo requerida para la o´ptima represio´n mediada por mi-ARN de varios transcriptos en los glome´rulos de receptores del olor28. Nuevos trabajos muestran una interaccio´n entre el regulador transcripcional (ZBRK1) y ataxina-2. El complejo ZBRK1/ATXN2 activa la expresio´n de ataxina-229. Mucho ma´s recientemente se demostro´, en modelos animales, que, al contrario de lo que se pensaba, la transcripcio´n de este gen comienza por el segundo sitio de inicio de la transcripcio´n, y no por el primero, ambos muy pro´ximos en la secuencia, separados por 300 pb30. Aguiar et al. encontraron que la regio´n promotora se extendı´a desde 436 pb a 362 relativo al primer ATG (768 pb)31. Este promotor tiene una regio´n core de 250 pb que incluyen varias secuencias reguladoras, a la cual se une Sp127.Tambie´n se une el factor ETS1 (del ingle´s E-twenty six), necesario para la expresio´n de ATXN2, lo cual, adema´s, involucra el remodelamiento de la regio´n cromatineana que se une al promotor SCA230. Estos hallazgos son compatibles con un efecto regulatorio de la metilacio´n sobre el primer ATG, posiblemente silenciando, actuando como control epigene´tico de la expresio´n de variantes ataxina-2 potencialmente ma´s patoge´nicas. Este control epigene´tico pudiera estar mediado por la participacio´n de long-non-coding RNA como recientemente se
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5
≥ 32CAG Silenciamiento
ZBRK1
ETS1
On
CAG repeats
ATXN2
Metilación Acetilación CpG metilado CpG no metilado
Figura 3. Metilacio´n y patoge´nesis en la ataxia espinocerebelosa tipo 2. Cuando existe un correcto balance en el control de la expresio´n de ataxina-2 mediante metilacio´n de la ˜ o por acumulacio´n de la proteı´na expandida, o la falta de la proteı´na normal. Cuando se pierde este equilibrio con el regio´n promotora, la ce´lula puede controlar el dan ˜ al de activacio´n del gen envejecimiento, el estre´s o el secuestro en cuerpos de inclusio´n por parte de la misma ataxina-2, entonces la acumulacio´n de esta proteı´na es una sen ˜ o celular que puede desembocar en una sobreexpresio´n de ataxina-2 expandida. En estas condiciones se rompe el control de mediante hipometilacio´n, lo cual genera un dan expresio´n mediado por otros reguladores como ETS1 y ZBRK1. ETS1: E-twenty six; ZBRK1: KRAB-containing zinc-finger transcriptional regulator.
describio´30, abriendo una potencial aplicacio´n terape´utica para las enfermedades conectadas con alteraciones gene´ticas del tipo CAG expandidos en el gen ATXN2 (fig. 3). Ataxina-2 tiene una expresio´n ubicua en el cuerpo, con una fuerte expresio´n en varias poblaciones neuronales, y adema´s se induce por estre´s nutricional y en la vejez32. Se ha postulado un ˜ o presintoma´tico o neonatal de la expansio´n ATXN2, que dan pudiera ser acumulativo y manifestarse a posteriori33; todo esto en plena concordancia con el modelo LEARn. La deficiencia de esta proteı´na es perjudicial durante el desarrollo embrionario25,34. Las expansiones masivas 200 CAG se asocian con fenotipos neonatales, infantiles y con un cuadro distinto en cuanto a inicio y progresio´n, comparado con el de las expansiones patoge´nicas ma´s comunes. Basado en las marcas epigene´ticas en ATXN2 y en la disminucio´n de ataxina-2 en ce´lulas pluripotentes, se plantea que las ce´lulas en estadios embrionarios son susceptibles a la hipermetilacio´n y que tanto la sobreexpresio´n como la pe´rdida por silenciamiento contribuyen a la neurodegeneracio´n. Hallazgos que apoyan esto son la alta expresio´n de ataxina-2 en neuronas diferenciadas35 y el retardo en el desarrollo de portadores de expansiones masivas36.
poder entender los procesos de inactivacio´n de genes mediante metilacio´n, para poder discernir el papel de este feno´meno como causal de otras enfermedades neurolo´gicas para las que hoy no se han identificado lesiones gene´ticas, y de las cuales la relacio´n entre factores gene´ticos y ambientales es indicativa de un componente epigene´tico. Finalmente, nuestro conocimiento se ha impulsado por el desarrollo tecnolo´gico en las te´cnicas de ana´lisis de los patrones de metilacio´n y se proyectara´ al a´rea terape´utica. Esto implica que son necesarias mejoras sustanciales en las te´cnicas actuales para poder analizar no solo un gen, sino grupos de genes durante la vida y en varios tejidos para poner en contexto clı´nico y en la aplicacio´n de intervenciones terape´uticas basadas en los procesos epigene´ticos. Por tanto, el nu´mero de enfermedades impactadas por la epigene´tica en el futuro sera´ mucho ma´s grande de lo que creemos, y los avances en el tratamiento de estas dependera´n de nuestros logros en la terapia epigene´tica. Financiacio´n Los autores fueron financiados en parte por el proyecto TWAS06-329 RG/BIO/LA UNESCO FR: 3240157855, y por el Ministerio de Salud Pu´blica cubano (MINSAP).
Conclusiones Conflicto de intereses Los estudios en oncologı´a sirvieron de pavimento tecnolo´gico para la extensio´n de la epigene´tica a otros fenotipos. En 2009, un panel de expertos, onco´logos en su mayorı´a, limito´ su revisio´n a un grupo selecto de enfermedades neurolo´gicas humanas en parte muy raras10, y a otras donde los mecanismos epigene´ticos solo se vislumbraban desde lejos. Hoy se ha confirmado que los mecanismos epigene´ticos cada vez esta´n ma´s vinculados con el desarrollo de enfermedades humanas y existe evidencia creciente de una base epigene´tica en las neurodegeneraciones tales como EA, EP, ELA, ataxias y EH. El conocimiento en profundidad de estos procesos sera´ crucial no solo para entender la patoge´nesis de estas enfermedades, sino tambie´n su inicio, gravedad y prono´stico. Especial intere´s reviste el estudio de la metilacio´n del ADN por su potencial aplicacio´n en la clı´nica de las neurodegeneraciones, donde las alteraciones gene´ticas causales no explican en gran medida el elenco fenotı´pico asociado. En el caso particular del gen ATXN2, causal no solo de la SCA2, sino adema´s contribuyente de otros fenotipos mucho ma´s frecuentes como ELA y EP, la presencia de metilacio´n de ADN en la regio´n promotora promete ser una explicacio´n alternativa y aplicable a la clı´nica. Tambie´n debemos
Nada a declarar. Agradecimientos Agradecemos a los pacientes de SCA2, quienes durante ma´s 30 ˜ os han contribuido con el estudio clı´nico gene´tico. an Bibliografı´a 1. Gra¨ff J, Franklin TB, Mansuy IM. Epigenetics of brain disorders. En: Tollefsbol T, editor. Handbook of Epigenetics: The New Molecular and Medical Genetics. Amtesrdam: Academic Press;2011 2. Lalucque H, Malagnac F, Silar P. Prions and prion-like phenomena in epigenetic inheritance. Epigenetics of brain disorders. Handbook of Epigenetics: The new molecular and medical Genetics. DOI:10.1016/B978-0-12-375709-8. 00005-8. 3. Ulrey C, Liu L, Andrews L, Tollefsbol T. The impact of metabolism on DNA methylation. Hum Mol Gen. 2005;14:R139–47. 4. Guo JU, Su Y, Zhong C, Ming GL, Song H. Hydroxylation of 5-methylcytosine by TET1 promotes active DNA demethylation in the adult brain. Cell. 2011;145: 423–34. 5. Mu¨nzel M, Globisch D, Carell T. 5-Hydroxymethylcytosine, the sixth base of the genome. Angew Chem Int Ed Engl. 2011;50:6460–8.
Co´mo citar este artı´culo: Laffita-Mesa JM, Bauer P. Herencia epigene´tica (metilacio´n del a´cido desoxirribonucleico): contexto clı´nico en neurodegeneraciones y gen ATXN2. Med Clin (Barc). 2014. http://dx.doi.org/10.1016/j.medcli.2013.11.025
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Co´mo citar este artı´culo: Laffita-Mesa JM, Bauer P. Herencia epigene´tica (metilacio´n del a´cido desoxirribonucleico): contexto clı´nico en neurodegeneraciones y gen ATXN2. Med Clin (Barc). 2014. http://dx.doi.org/10.1016/j.medcli.2013.11.025
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Revisio´n
Herencia epigene´tica (metilacio´n del a´cido desoxirribonucleico): contexto clı´nico en neurodegeneraciones y gen ATXN2 Jose´ Miguel Laffita-Mesa a,b,* y Peter Bauer c a
Centro para la Investigacio´n y la Rehabilitacio´n de la Ataxia Hereditaria (CIRAH), Holguı´n, Cuba Academia de Ciencias de Cuba, Rama de Biomedicina, Habana, Cuba c Department of Neuroscience, Mayo Clinic, Jacksonville, FL, Estados Unidos b
´ N D E L A R T I´ C U L O INFORMACIO
R E S U M E N
Historia del artı´culo: Recibido el 23 de agosto de 2013 Aceptado el 14 de noviembre de 2013 On-line el xxx
La epigene´tica es el colectivo de cambios en el fenotipo debidos a procesos que surgen independientes de la secuencia primaria del ADN. Esta´ ı´ntimamente relacionada con los cambios en los niveles y perfiles de expresio´n de los genes. Estos cambios esta´n mediados por las modificaciones en las colas de histonas cromatineanas, la metilacio´n del ADN, los micro-ARN y la remodelacio´n de la cromatina, constituyendo los fundamentos de la herencia epigene´tica. La metilacio´n del ADN involucra la adicio´n del grupo metilo a la citosina del ADN geno´mico. Esta reaccio´n es mediada por las enzimas metiltransferasas. La metilacio´n regula la expresio´n ge´nica, reprimiendo la transcripcio´n, en tanto que su ausencia activa la expresio´n. Varias enfermedades humanas, como el ca´ncer, la enfermedad de Alzheimer, el ictus, el Parkinson o la diabetes mellitus tipo 2, esta´n vinculadas a procesos epigene´ticos. En este trabajo se presentan las bases de la herencia epigene´tica con e´nfasis en la metilacio´n del ADN. Tambie´n se ilustran los mecanismos patoge´nicos que relacionan a la epigene´tica con varias enfermedades humanas y, ma´s especı´ficamente, las neurodegeneraciones. Discutimos los conceptos actuales para poder entender la contribucio´n de la epigene´tica en enfermedades neurodegenerativas. Se enfatiza en los hallazgos obtenidos por nuestro laboratorio y otros investigadores en el gen ATXN2, causante de la ataxia espinocerebelosa tipo 2 y otras enfermedades neurodegenerativas, como ˜ an un rol primordial en la la esclerosis lateral amiotro´fica. Los procesos epigene´ticos desempen patoge´nesis de varias enfermedades humanas y en varias neurodegeneraciones. Este conocimiento ha impulsado un desarrollo tecnolo´gico en las te´cnicas de ana´lisis de los patrones de metilacio´n y se proyectara´ al a´rea terape´utica. ß 2013 Elsevier Espan˜a, S.L. Todos los derechos reservados.
Epigene´tica Metilacio´n Cromatinas Microa´cido ribonucleico Neurodegeneracio´n ATXN2
Epigenetic heredity (deoxyribonucleic acid methylation): Clinical context in neurodegenerative disorders and ATXN2 gene A B S T R A C T
Keywords: Epigenetics, Methylation, Chromatin, Micro-ribonucleic acid Neurodegeneration ATXN2
Epigenetics is the group of changes in the phenotype which are related with the process independently of the primary DNA sequence. These changes are intimately related with changes in the gene expression level and its profile across the body. These are mediated by histone tail modifications, DNA methylation, micro-RNAs, with chromatin remodeling remaining as the foundation of epigenetic changes. DNA methylation involves the covalent addition of methyl group to cytosine of the DNA, which is mediated by methyltransferases enzymes. DNA methylation regulates gene expression by repressing transcription, while de-methylation activates gene transcription. Several human diseases are related with the epigenetic process: cancer, Alzheimer disease, stroke, Parkinson disease, and diabetes. We present here the basis of epigenetic inheritance and show the pathogenic mechanisms relating epigenetics in human diseases, specifically with regard to neurodegeneration. We discuss current concepts aimed at understanding the contribution of epigenetics to human neurodegenerative diseases. We also discuss recent findings obtained in our and other centers regarding the ATXN2 gene that causes spinocerebellar
* Autor para correspondencia. Correos electro´nicos: laffi[email protected], laffi[email protected] (J.M. Laffita-Mesa). ˜ a, S.L. Todos los derechos reservados. 0025-7753/$ – see front matter ß 2013 Elsevier Espan http://dx.doi.org/10.1016/j.medcli.2013.11.025
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ataxia 2 and amyotrophic lateral sclerosis. Epigenetics play a pivotal role in the pathogenesis of human diseases and in several neurodegenerative disorders, and this knowledge will illuminate the pathways in the diagnostic and therapeutic field, which ultimately will be translated into the clinic context of neurodegenerative diseases. ß 2013 Elsevier Espan˜a, S.L. All rights reserved.
otras enfermedades neurolo´gicas, como la esclerosis lateral amiotro´fica (ELA).
Introduccio´n Epigene´tica: la nueva ciencia de la gene´tica
Desarrollo La epigene´tica, para muchos la nueva ciencia de la gene´tica, se define como el colectivo de cambios en el fenotipo debidos a procesos que surgen independientes de la secuencia primaria del ADN. Estas alteraciones heredables en los genes se transmiten a trave´s de la mitosis y la meiosis1. Varios autores proponen 2 ramas de la epigene´tica con una divisio´n a veces difusa entre ellas: i) la estructural, basada en la transmisio´n de estructuras alternativas de las macromole´culas y complejos macromoleculares, y ii) la regulatoria, basada en los estados alternativos de las rutas metabo´licas o regulatorias2, la que abordaremos mucho ma´s profundamente en este artı´culo. A nivel molecular comprende las modificaciones del ADN, las histonas, la interferencia por ARN, y el efecto de posicionamiento de los nucleosomas y los cromosomas. Los procesos relacionados con priones y su autoperpetuacio´n a partir de un polipe´ptido se clasifican tambie´n como procesos epigene´ticos2. Varias son las funciones de la epigene´tica; solo por mencionar ˜ ales algunas: la pluripotencia de ce´lulas troncales depende de sen ambientales y mecanismos epigene´ticos como la metilacio´n del ADN, las modificaciones de histonas y los micro-ARN (mi-ARN), lo cual tiene un rol primordial en co´mo estas ce´lulas responden al ambiente. Tambie´n, hoy se sabe que la regulacio´n ge´nica mediada por procesos epigene´ticos es necesaria para los cambios en el desarrollo del cerebro, y adema´s para modular el impacto de las experiencias tempranas reflejadas en los estados de salud y riesgo frente a enfermedades. Las afecciones neurolo´gicas tienen un gran componente epigene´tico. Esto se hace mucho ma´s evidente no solo en los ampliamente caracterizados epigene´ticamente sı´ndromes de Rett, o el de cromosoma X fra´gil, sino tambie´n en la enfermedad de Alzheimer (EA) y la de Huntington (EH), ambos, trastornos neurodegenerativos, ası´ como en otros, neuropsiquia´tricos y del comportamiento, como el autismo, la depresio´n y la esquizofrenia, los cuales se asocian tambie´n con alteraciones epigene´ticas. En este artı´culo se enfatiza en los fundamentos de la herencia epigene´tica, especı´ficamente en la metilacio´n del ADN, ası´ como su rol en enfermedades humanas, como las neurodegeneraciones, y ma´s alla´, en hallazgos recientes en el gen ATXN2, causante de la spinocerebellar ataxia (SCA, «ataxia espinocerebelosa») tipo 2, y de
Metilacio´n e hidroximetilacio´n de la citosina La metilacio´n de la citosina representa uno de los mecanismos epigene´ticos ma´s importantes para la regulacio´n ge´nica, y consiste en la adicio´n del grupo metilo en la posicio´n 5’ del anillo pirimidı´nico de la citosina, lo cual es mediado por las enzimas DNA methyltransferase (DNMT, «metiltransferasa del ADN») usando la Sadenosilmetionina (SAM) como compuesto donante del grupo metilo3 (fig. 1). La metilacio´n del ADN en la posicio´n 5’ de la citosina (5-metilcitosina) tı´picamente ocurre en el contexto del dinucleo´tido CpG, y la metilacio´n de las secuencias de CpG puede inducir modificaciones conformacionales inhibiendo el acceso de la maquinaria transcripcional a las regiones promotoras, alterando los niveles de expresio´n ge´nica. La hipermetilacio´n de promotores se asocia con el silenciamiento ge´nico, y la demetilacio´n, con expresio´n ge´nica3. Las enzimas de la familia ten-eleven translocation (TET, «translocacio´n diez-once») convierten la 5-metilcitosina en 5hidroximetilcitosina (5-hmc), la cual es una forma modificada de la citosina 5’ hidroximetilada. Guo et al.4 demostraron que la enzima 5-hidroximetilasa TET, mediante la conversio´n de 5-metilcitosina a 5-hmc, promueve la demetilacio´n del ADN en mamı´feros a trave´s de procesos que requieren la participacio´n de enzimas de la ruta de reparacio´n mediante escisio´n de bases. La demetilacio´n de 5-hmc se promueve por activacio´n de la deaminasa inducida y el apolipoprotein B mRNA editing enzyme, catalytic polypeptide-like (APOBEC, «enzima editora de la apolipoproteı´na B mediante ARNm semejante al polipe´ptido»), familia de la citidina deaminasa. Por otra parte, Tet1 y Apobec1 esta´n involucradas en la actividad neuronal inducida en regiones especı´ficas del sistema nervioso central (SNC), en la demetilacio´n activa y en la subsecuente expresio´n ge´nica en el giro dentado de ratones adultos4. Tambie´n a la 5-hmc se la conoce como la sexta base del ADN, despue´s de adenina, guanina, timina, citosina y 5-metilcitosina, y esta base esta´ altamente representada en el cerebro5. Su baja afinidad por las proteı´nas fijadoras del grupo metilo evidencia que podrı´a tener distintas funciones en la regulacio´n de la expresio´n ge´nica; adema´s, esta´ implicada en el proceso de
NH2 N
CH3
+ H3N
+S
CH2
H2C
H
H
OH
OH
H 2C
N
O
H
N N Metiltransferasa
H
CH COO
NH2 N
X –
CH3-X
S
CH2
H2C
H
N
O
H 2C H + OH H3N CH
N N
H H OH
COO–
SAM
SAH
Figura 1. Reaccio´n general de la transferencia del grupo metilo dependiente de SAM, estructura y cosustratos. La figura muestra la reaccio´n catalizada por la enzima metiltransferasas de un aceptor X de grupos metilo, con el donante SAM y los productos SAH y el sustrato metilado CH3-X. Esta es una reaccio´n regulada negativamente por el producto SAH y su concentracio´n es el principal determinante de la actividad enzima´tica en varios tejidos. SAH: S-adenosylhomocysteine («S-adenosilhomocisteı´na»); SAM: S-adenosylmethionine («S-adenosilmetionina»). Tomada de Ulrey et al.3, 2005, con permiso de Oxford Press.
Co´mo citar este artı´culo: Laffita-Mesa JM, Bauer P. Herencia epigene´tica (metilacio´n del a´cido desoxirribonucleico): contexto clı´nico en neurodegeneraciones y gen ATXN2. Med Clin (Barc). 2014. http://dx.doi.org/10.1016/j.medcli.2013.11.025
G Model
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demetilacio´n. Tambie´n contribuye 5-hmc a la regulacio´n de la pluripotencia de las ce´lulas madre y esta´ conectada, adema´s, con los procesos del desarrollo y la carcinoge´nesis. Se cree que afecta tambie´n el marcaje del ADN con 5-metilcitosina en el cerebro, posiblemente convirtiendo 5-metilcitosina en 5-hmc por las enzimas TET6. Modelos explicativos de la contribucio´n epigene´tica a enfermedades neurodegenerativas humanas
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Genética SNP
SNP
C A T G T . . . A A Cm G T . . . A T G G G C A T G T... A A C
G T ... A T G G G
C A G G T . . . A A Cm G T . . . A T A G G C A G G T... A A C
G T ... A T A G G
Genotipaje Modelo latent early-life associated regulation Cada vez se hace ma´s evidente que el comienzo, la progresio´n y la gravedad de gran parte de las enfermedades neurolo´gicas son el resultado de una mala adaptacio´n al estre´s endo´geno y exo´geno, siendo este el resultado de la vulneracio´n, mediante alteraciones gene´ticas o marcas epigene´ticas, o ambas, de la capacidad celular de responder a estı´mulos estresantes. Los cambios epigene´ticos pueden ocurrir en estadios tempranos de la vida y hacerse manifiestos en la edad adulta y la vejez. Esta teorı´a se conoce como el modelo latent early-life associated regulation (LEARn)7. Segu´n esta teorı´a, los factores ambientales pueden «envenenar» el genoma mediante marcas epigene´ticas en fases tempranas de la vida, posiblemente durante la vida in utero. En gran medida este modelo explica la observacio´n de que los procesos neurodegenerativos comienzan mucho antes de la ˜ ales moleculares. manifestacio´n de los sı´ntomas clı´nicos o de sen Este concepto permite explorar la interaccio´n con el ambiente en las etapas iniciales de la vida para prevenir eficientemente la neurodegeneracio´n. El «hepitipo» Las neurodegeneraciones muestran una gran variabilidad fenotı´pica aun bajo el mismo contexto gene´tico, lo que hace divisar como posible explicacio´n el componente epigene´tico. Para esto se ha puesto en marcha el Human Epigenome Project (http:// www.epigenome.org/data/), que pretende determinar las posiciones de metilacio´n variable en el genoma para determinar susceptibilidad diferencial a enfermedades y la variabilidad fenotı´pica en cuanto a inicio, progresio´n, etc.8. Este proyecto esta´ orientado al epigenotipaje masivo de las marcas epigene´ticas transmitidas verticalmente. Unido a este desarrollo tecnolo´gico se ha derivado un concepto explicativo de la variabilidad fenotı´pica, en ausencia de heterogeneidad ale´lica y en presencia de epialelos8,9. Una generalizacio´n de este concepto serı´a que en presencia de fenotipos discordantes y con alelos similares, la presencia de sitios de metilacio´n variable y su estatus de metilacio´n pudiera definir la diferencia fenotı´pica. Este concepto lleva implı´cito el acceder a la informacio´n gene´tica en su nivel ma´s ı´ntimo, como es el perfil de haplotipo de polimorfismo de un solo nucleo´tido, combinado con la identificacio´n de perfiles de metilacio´n de motivos CpG en un gen o genoma. Para esto, Murell et al.8, en analogı´a con el haplotipo, proponen la existencia del «hepitipo», el cual combina ambas informaciones, gene´tica y epigene´tica, permitiendo diseccionar ambas contribuciones al fenotipo (fig. 2). Epigene´tica y enfermedades neurodegenerativas Las enfermedades neurodegenerativas se caracterizan por la pe´rdida gradual de ce´lulas en el sistema nervioso. En el SNC esa pe´rdida tiene consecuencias devastadoras sobre la cognicio´n y la locomocio´n, dado que las neuronas tienen una capacidad limitada de regenerarse. La EA, la (EH), la enfermedad de Parkinson (EP), la distrofia mioto´nica (DM), la ELA y las ataxias de Friedreich (AF)y SCA7 tienen una base epigene´tica10–12. Describiremos algunas de las evidencias que apoyan este punto de vista en ELA, AF y SCA7.
Haplotipo 1
T.G
Sin efecto fenotípico
Haplotipo 2
G.A
Algun efecto fenotípico
Hepitipo h1: 2e
T C
G
Sin efecto fenotípico
Hepitipo h1: 1e
T Cm G
Sin efecto fenotípico
Hepitipo h2 : 1e
G Cm
A
Sin efecto fenotípico
Hepitipo h2 : 2e
G C
A
Efecto fenotípico neto
Epitipo 1
. Cm .
Sin efecto fenotípico
Epitipo 2
.C .
Algun efecto fenotípico
Epigenotipaje C A T G T . . . A A Cm G T . . . A T G G G C A T G T... A A C
G T ... A T G G G
C A G G T . . . A A Cm G T . . . A T A G G C A G G T... A A C
G T ... A T A G G
SMV
Epigenética Figura 2. Concepto ba´sico de hepitipos: genotipaje para SNP, lo cual define el haplotipo (panel superior) y el epigenotipado de posiciones con metilacio´n variable, lo cual definirı´a a los epitipos (panel inferior). Estas 2 estrategias permiten definir los hepitipos, los cuales esta´n asociados a un fenotipo de determinada enfermedad y que pudiera no detectarse usando las 2 estrategias de manera independiente. SNP: polimorfismo de un solo nucleo´tido. Tomada de Murrell et al.8, 2005, con permiso de Oxford Press.
Esclerosis lateral amiotro´fica La ELA es una enfermedad neurodegenerativa que afecta tanto motoneuronas inferiores, del tallo cerebral y de la me´dula espinal, como las motoneuronas de la corteza. La ELA afecta a 6-8 de cada 100.000 personas en todo el mundo, considera´ndose una enfermedad no rara. La pe´rdida progresiva de motoneuronas conduce a la atrofia muscular, la debilidad, fasciculaciones y espasticidad. La generalizacio´n de la enfermedad en el paciente ˜ os. Existen evidencias causa la muerte generalmente en unos 2 an claras de que factores gene´ticos contribuyen de forma multifactorial o monoge´nica al inicio y desarrollo de la ELA; dentro de estos genes esta´n TDP43, FUS, SOD1, ATXN2 y C9ORF7213. Al menos para SOD1, se propone que el mecanismo primordial que desencadena la cascada patolo´gica en la ELA es la agregacio´n de proteı´nas misfolded, o la presencia de precursores oligome´ricos complejos, lo que da al traste con la homeostasis de proteı´nas celulares, induciendo estre´s celular. Esto, a su vez, interfiere con varias funciones celulares, como el transporte, la arquitectura celular y la funcio´n mitocondrial, causando estre´s celular, retraccio´n axonal, y ulteriormente, muerte celular14. Se han descrito casos asociados al gen ELP3, que codifica la unidad catalı´tica de la histona acetiltransferasa del complejo de elongacio´n 3. Esta mole´cula, ELP3, regula la expresio´n de Hsp70 a trave´s
Co´mo citar este artı´culo: Laffita-Mesa JM, Bauer P. Herencia epigene´tica (metilacio´n del a´cido desoxirribonucleico): contexto clı´nico en neurodegeneraciones y gen ATXN2. Med Clin (Barc). 2014. http://dx.doi.org/10.1016/j.medcli.2013.11.025
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de las modificaciones H3K14 y la acetilacio´n de H4K8. La sobreexpresio´n de Hsp70 permite el aclaramiento de los agregados en un modelo murino10,15, y adema´s, protege contra la muerte celular inducida por SOD1 mutante en modelos neuronales in vitro16. Esto evidencia una conexio´n indirecta de un mecanismo regulatorio epigene´tico cadena arriba, en la cascada neurodegenerativa de la SOD1 mutante. Por otra parte, dado que no se conocı´a si la metilacio´n aberrante podı´a causar neurodegeneracio´n, se planteo´ que las DNMT mediaban la muerte neuronal en ELA. El reforzamiento de la expresio´n de Dnmt3a indujo degeneracio´n de ce´lulas NSC34 aparejado a la induccio´n del factor apopto´tico camptotecina y aumento de Dnmt1 con acumulacio´n 5-metilcitosina en nu´cleo. La estrategia contraria de supresio´n de las DNMT mediante inhibicio´n farmacolo´gica, silenciamiento por ARNi o mutage´nesis bloqueo´ la metilacio´n de CpG y la apoptosis en motoneuronas murinas. Todo esto fue confirmado en motoneuronas humanas modelo de ELA, concluye´ndose que la neurodegeneracio´n en ELA podı´a regularse epigene´ticamente mediante metilacio´n del ADN17. Ataxia de Friedreich La AF es una enfermedad autoso´mica recesiva ocasionada por una mutacio´n homocigo´tica en el gen FRDA. El gen de la frataxina, en su forma mutada, tiene una expansio´n del triplete GAA responsable de la AF. Esta mutacio´n se situ´a en el intro´n 1 e interfiere con la expresio´n de la frataxina, que es una proteı´na decisiva en el metabolismo del hierro y que se localiza en la mitocondria. La pe´rdida de funcio´n de la proteı´na esta´ relacionada con alteraciones en el metabolismo del hierro y de los centros hierro-azufre, ası´ como con el estre´s oxidativo, todo lo cual tiene una repercusio´n siste´mica que es responsable de las manifestaciones clı´nicas de la AF18. El intro´n 1 del gen FRDA contribuye a la actividad promotora del gen y contiene residuos CpG metilables19. Se ha visto que la expresio´n de la versio´n mutada es regulada por el patro´n de metilacio´n, influyendo en el inicio del sı´ndrome y la gravedad del fenotipo20. La metilacio´n es responsable del 30% de la variabilidad en la edad de comienzo, adema´s de la contribucio´n del fondo gene´tico y de los factores ambientales. Estos mismos autores observaron que la metilacio´n de este promotor se ˜ o de la expansio´n GAA21. correlaciona con el taman Ataxia espinocerebelosa tipo 7 Al igual que la AF, la SCA7 es causada por una expansio´n de tripletes, pero de CAG, y a diferencia de AF, este triplete se localiza en una regio´n codificante en el gen correspondiente ATXN7 y se traduce en un segmento poliglutamı´nico. La ataxia SCA7 se hereda siguiendo una herencia autoso´mica dominante. Como consecuencia del contexto geno´mico, del haplotipo cercano a la expansio´n, este segmento es inestable gene´ticamente, o sea, puede heredarse con una mutacio´n mucho ma´s larga o ma´s corta, afectando el fenotipo. En tejidos no germinales esta inestabilidad se evidencia en un patro´n ordenado en «diente de serrucho», que representa ˜ os de CAG poblaciones celulares que tienen diferentes taman (conocido por mosaicismo soma´tico) y que contribuye a la patoge´nesis. Esta inestabilidad del triplete de CAG es caracterı´stica de las enfermedades por trinucleo´tidos, denomina´ndolas mutaciones dina´micas. Se ha planteado que la metilacio´n del sitio de unio´n del factor transcripcional CTCF desestabiliza las expansiones de tripletes, de la misma manera que lo hacen mutaciones en este sitio. Esto se evidencio´ por inestabilidad germinal y soma´tica en un modelo murino de SCA722. Previamente se vio´ que los sitios de unio´n de CTCF flanquean a las repeticiones de CTG/CAG en varios loci asociados con enfermedades de esta naturaleza, como la DM, la DRPLA, la SCA2 y la EH, pero no para los genes de SCA1, SCA6 y
SBMA23. Por ello, gran parte de la inestabilidad de los segmentos de CAG se justifica por la presencia de sitios de CTCF en 5 de los 8 genes causantes de enfermedades poliglutamı´nicas, si bien en otros genes donde no se observan sitios de este tipo, como el ATXN1, la influencia de la epigene´tica no se desestima. En SCA1 la supresio´n de la Dnmt1 incrementa la inestabilidad del CAG del locus ATXN1, ası´ como aumenta la metilacio´n aberrante en la lı´nea germinal de un modelo murino de esta enfermedad24. Metilacio´n epigene´tica y mutacio´n en la ataxia espinocebelosa tipo 2 (ATXN2) La SCA2 es causada por una expansio´n ano´mala del triplete de CAG en el gen codificante de la ataxina-2. Las caracterı´sticas patolo´gicas de la SCA2 son la atrofia y pe´rdida de las ce´lulas de Purkinje del cerebelo, manifesta´ndose clı´nicamente como de´ficit de la coordinacio´n motora que afecta la mirada, la prosodia, la marcha y la estabilidad postural25. En dependencia de la longitud de esta expansio´n, se han identificado un elenco de enfermedades neurolo´gicas y neuropsiquia´tricas. Estos niveles de variabilidad fenotı´pica no son explicables solamente por la heterogeneidad gene´tica. Previamente se propuso que la metilacio´n del ADN alelo especı´fica disminuye la gravedad de la SCA226. Por tanto, las diferencias fenotı´picas interindividuales que no pueden explicarse solo por la contribucio´n del CAG podrı´an estar dadas por diferencias en la capacidad de metilacio´n de novo entre los pacientes con SCA2. La pleiotropı´a de esta mutacio´n tambie´n evidencia un componente epigene´tico diferencial en los tejidos, ası´ como en los estadios de la vida. Recientemente, nuestro grupo demostro´ que la metilacio´n del ADN se asocia al alelo mutante y que modula la gravedad de la enfermedad27. Adema´s, esta marca epigene´tica tambie´n tuvo un efecto en trans sobre el inicio de la SCA3. En portadores homocigo´ticos de la mutacio´n SCA2 (o sea, sin heterogeneidad ale´lica), se demostro´ un patro´n de metilacio´n consistente con hipermetilacio´n y retardo en el inicio o ausencia de sı´ntomas clı´nicos, siendo reminiscencia del concepto de «hepitipo». Dado que esta mutacio´n tambie´n esta´ involucrada con otras neurodegeneraciones como el parkinsonismo y la ELA, es muy probable que parte de la contribucio´n epigene´tica de estas enfermedades se atribuya al patro´n de metilacio´n del gen ATXN2. Existen otros hallazgos que ligan este locus y su producto ge´nico con procesos epigene´ticos. La funcio´n de ataxina-2 es desconocida, sin embargo, recientemente se situo´ esta en la ruta de los mi-ARN, siendo requerida para la o´ptima represio´n mediada por mi-ARN de varios transcriptos en los glome´rulos de receptores del olor28. Nuevos trabajos muestran una interaccio´n entre el regulador transcripcional (ZBRK1) y ataxina-2. El complejo ZBRK1/ATXN2 activa la expresio´n de ataxina-229. Mucho ma´s recientemente se demostro´, en modelos animales, que, al contrario de lo que se pensaba, la transcripcio´n de este gen comienza por el segundo sitio de inicio de la transcripcio´n, y no por el primero, ambos muy pro´ximos en la secuencia, separados por 300 pb30. Aguiar et al. encontraron que la regio´n promotora se extendı´a desde 436 pb a 362 relativo al primer ATG (768 pb)31. Este promotor tiene una regio´n core de 250 pb que incluyen varias secuencias reguladoras, a la cual se une Sp127.Tambie´n se une el factor ETS1 (del ingle´s E-twenty six), necesario para la expresio´n de ATXN2, lo cual, adema´s, involucra el remodelamiento de la regio´n cromatineana que se une al promotor SCA230. Estos hallazgos son compatibles con un efecto regulatorio de la metilacio´n sobre el primer ATG, posiblemente silenciando, actuando como control epigene´tico de la expresio´n de variantes ataxina-2 potencialmente ma´s patoge´nicas. Este control epigene´tico pudiera estar mediado por la participacio´n de long-non-coding RNA como recientemente se
Co´mo citar este artı´culo: Laffita-Mesa JM, Bauer P. Herencia epigene´tica (metilacio´n del a´cido desoxirribonucleico): contexto clı´nico en neurodegeneraciones y gen ATXN2. Med Clin (Barc). 2014. http://dx.doi.org/10.1016/j.medcli.2013.11.025
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≥ 32CAG Silenciamiento
ZBRK1
ETS1
On
CAG repeats
ATXN2
Metilación Acetilación CpG metilado CpG no metilado
Figura 3. Metilacio´n y patoge´nesis en la ataxia espinocerebelosa tipo 2. Cuando existe un correcto balance en el control de la expresio´n de ataxina-2 mediante metilacio´n de la ˜ o por acumulacio´n de la proteı´na expandida, o la falta de la proteı´na normal. Cuando se pierde este equilibrio con el regio´n promotora, la ce´lula puede controlar el dan ˜ al de activacio´n del gen envejecimiento, el estre´s o el secuestro en cuerpos de inclusio´n por parte de la misma ataxina-2, entonces la acumulacio´n de esta proteı´na es una sen ˜ o celular que puede desembocar en una sobreexpresio´n de ataxina-2 expandida. En estas condiciones se rompe el control de mediante hipometilacio´n, lo cual genera un dan expresio´n mediado por otros reguladores como ETS1 y ZBRK1. ETS1: E-twenty six; ZBRK1: KRAB-containing zinc-finger transcriptional regulator.
describio´30, abriendo una potencial aplicacio´n terape´utica para las enfermedades conectadas con alteraciones gene´ticas del tipo CAG expandidos en el gen ATXN2 (fig. 3). Ataxina-2 tiene una expresio´n ubicua en el cuerpo, con una fuerte expresio´n en varias poblaciones neuronales, y adema´s se induce por estre´s nutricional y en la vejez32. Se ha postulado un ˜ o presintoma´tico o neonatal de la expansio´n ATXN2, que dan pudiera ser acumulativo y manifestarse a posteriori33; todo esto en plena concordancia con el modelo LEARn. La deficiencia de esta proteı´na es perjudicial durante el desarrollo embrionario25,34. Las expansiones masivas 200 CAG se asocian con fenotipos neonatales, infantiles y con un cuadro distinto en cuanto a inicio y progresio´n, comparado con el de las expansiones patoge´nicas ma´s comunes. Basado en las marcas epigene´ticas en ATXN2 y en la disminucio´n de ataxina-2 en ce´lulas pluripotentes, se plantea que las ce´lulas en estadios embrionarios son susceptibles a la hipermetilacio´n y que tanto la sobreexpresio´n como la pe´rdida por silenciamiento contribuyen a la neurodegeneracio´n. Hallazgos que apoyan esto son la alta expresio´n de ataxina-2 en neuronas diferenciadas35 y el retardo en el desarrollo de portadores de expansiones masivas36.
poder entender los procesos de inactivacio´n de genes mediante metilacio´n, para poder discernir el papel de este feno´meno como causal de otras enfermedades neurolo´gicas para las que hoy no se han identificado lesiones gene´ticas, y de las cuales la relacio´n entre factores gene´ticos y ambientales es indicativa de un componente epigene´tico. Finalmente, nuestro conocimiento se ha impulsado por el desarrollo tecnolo´gico en las te´cnicas de ana´lisis de los patrones de metilacio´n y se proyectara´ al a´rea terape´utica. Esto implica que son necesarias mejoras sustanciales en las te´cnicas actuales para poder analizar no solo un gen, sino grupos de genes durante la vida y en varios tejidos para poner en contexto clı´nico y en la aplicacio´n de intervenciones terape´uticas basadas en los procesos epigene´ticos. Por tanto, el nu´mero de enfermedades impactadas por la epigene´tica en el futuro sera´ mucho ma´s grande de lo que creemos, y los avances en el tratamiento de estas dependera´n de nuestros logros en la terapia epigene´tica. Financiacio´n Los autores fueron financiados en parte por el proyecto TWAS06-329 RG/BIO/LA UNESCO FR: 3240157855, y por el Ministerio de Salud Pu´blica cubano (MINSAP).
Conclusiones Conflicto de intereses Los estudios en oncologı´a sirvieron de pavimento tecnolo´gico para la extensio´n de la epigene´tica a otros fenotipos. En 2009, un panel de expertos, onco´logos en su mayorı´a, limito´ su revisio´n a un grupo selecto de enfermedades neurolo´gicas humanas en parte muy raras10, y a otras donde los mecanismos epigene´ticos solo se vislumbraban desde lejos. Hoy se ha confirmado que los mecanismos epigene´ticos cada vez esta´n ma´s vinculados con el desarrollo de enfermedades humanas y existe evidencia creciente de una base epigene´tica en las neurodegeneraciones tales como EA, EP, ELA, ataxias y EH. El conocimiento en profundidad de estos procesos sera´ crucial no solo para entender la patoge´nesis de estas enfermedades, sino tambie´n su inicio, gravedad y prono´stico. Especial intere´s reviste el estudio de la metilacio´n del ADN por su potencial aplicacio´n en la clı´nica de las neurodegeneraciones, donde las alteraciones gene´ticas causales no explican en gran medida el elenco fenotı´pico asociado. En el caso particular del gen ATXN2, causal no solo de la SCA2, sino adema´s contribuyente de otros fenotipos mucho ma´s frecuentes como ELA y EP, la presencia de metilacio´n de ADN en la regio´n promotora promete ser una explicacio´n alternativa y aplicable a la clı´nica. Tambie´n debemos
Nada a declarar. Agradecimientos Agradecemos a los pacientes de SCA2, quienes durante ma´s 30 ˜ os han contribuido con el estudio clı´nico gene´tico. an Bibliografı´a 1. Gra¨ff J, Franklin TB, Mansuy IM. Epigenetics of brain disorders. En: Tollefsbol T, editor. Handbook of Epigenetics: The New Molecular and Medical Genetics. Amtesrdam: Academic Press;2011 2. Lalucque H, Malagnac F, Silar P. Prions and prion-like phenomena in epigenetic inheritance. Epigenetics of brain disorders. Handbook of Epigenetics: The new molecular and medical Genetics. DOI:10.1016/B978-0-12-375709-8. 00005-8. 3. Ulrey C, Liu L, Andrews L, Tollefsbol T. The impact of metabolism on DNA methylation. Hum Mol Gen. 2005;14:R139–47. 4. Guo JU, Su Y, Zhong C, Ming GL, Song H. Hydroxylation of 5-methylcytosine by TET1 promotes active DNA demethylation in the adult brain. Cell. 2011;145: 423–34. 5. Mu¨nzel M, Globisch D, Carell T. 5-Hydroxymethylcytosine, the sixth base of the genome. Angew Chem Int Ed Engl. 2011;50:6460–8.
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Co´mo citar este artı´culo: Laffita-Mesa JM, Bauer P. Herencia epigene´tica (metilacio´n del a´cido desoxirribonucleico): contexto clı´nico en neurodegeneraciones y gen ATXN2. Med Clin (Barc). 2014. http://dx.doi.org/10.1016/j.medcli.2013.11.025
