La epigenómica es el estudio del conjunto completo de modificaciones epigenéticas sobre el material genético de una célula, conocido como epigenoma. El campo es análogo a la genómica y la proteómica, que son el estudio del genoma y proteoma de una célula. Las modificaciones epigenéticas son modificaciones reversibles en el ADN o en las histonas de una célula que afectan la expresión genética sin alterar la secuencia del ADN. El mantenimiento epigenómico es un proceso continuo y juega un papel importante en la estabilidad de los genomas eucariotas al participar en mecanismos biológicos cruciales como la reparación del ADN. Se dice que las flavonas vegetales inhiben las marcas epigenómicas que causan cáncer. Dos de las modificaciones epigenéticas más caracterizadas son la metilación del ADN y la modificación de histonas. Las modificaciones epigenéticas desempeñan un papel importante en la expresión y regulación genética y están implicadas en numerosos procesos celulares, como la diferenciación/desarrollo y la tumorigénesis. El estudio de la epigenética a nivel global ha sido posible solo recientemente gracias a la adaptación de ensayos genómicos de alto rendimiento.
Introducción a la epigenética Los mecanismos que rigen la plasticidad fenotípica, o la capacidad de una célula para cambiar su estado en respuesta a estímulos, han sido objeto de investigación durante mucho tiempo. El dogma central tradicional de la biología establece que el ADN de una célula se transcribe a ARN, que se traduce en proteínas, que realizan procesos y funciones celulares. Sin embargo, existe una paradoja en el sentido de que las células exhiben respuestas diversas a estímulos variables y que las células que comparten conjuntos idénticos de ADN, como en los organismos multicelulares, pueden tener una variedad de funciones y fenotipos distintos. Las opiniones clásicas han atribuido la variación fenotípica a diferencias en la estructura primaria del ADN, ya sea a través de una mutación aberrante o de una secuencia alélica heredada. Sin embargo, si bien esto explica algunos aspectos de la variación, no explica cuán estrechamente coordinadas y reguladas se llevan a cabo las respuestas celulares, como la diferenciación.
Una fuente más probable de plasticidad celular es a través de la regulación de la expresión genética, de modo que si bien dos células pueden tener un ADN casi idéntico, la expresión diferencial de ciertos genes da como resultado una variación. Las investigaciones han demostrado que las células son capaces de regular la expresión genética en varias etapas: transcripción, procesamiento y transporte del ARNm, así como en la traducción de proteínas, el procesamiento postraduccional y la degradación. Las proteínas reguladoras que se unen al ADN, ARN y/o proteínas son efectores clave en estos procesos y funcionan regulando positiva o negativamente el nivel y la función de proteínas específicas en una célula. Y, si bien los factores de transcripción que se unen al ADN proporcionan un mecanismo para el control específico de las respuestas celulares, también es poco probable un modelo en el que los factores de transcripción que se unen al ADN sean los únicos reguladores de la actividad genética. Por ejemplo, en un estudio sobre la transferencia nuclear de células somáticas, se demostró que las características estables de diferenciación permanecen después de que el núcleo se transfiere a un nuevo entorno celular, lo que sugiere que un mecanismo estable y hereditario de regulación genética estaba involucrado en el mantenimiento del núcleo. Estado diferenciado en ausencia de factores de transcripción de unión al ADN.
Con el descubrimiento de que la metilación del ADN y las modificaciones de las histonas son procesos estables, hereditarios y también reversibles que influyen en la expresión genética sin alterar la estructura primaria del ADN, se proporcionó un mecanismo para la variabilidad observada en la expresión genética celular. Estas modificaciones se denominaron epigenéticas, de epi “encima” del material genético “ADN”. Los mecanismos que rigen las modificaciones epigenéticas son complejos, pero gracias a la llegada de la tecnología de secuenciación de alto rendimiento ahora se comprenden mejor.
Epigenética
Las modificaciones genómicas que alteran la expresión génica y que no pueden atribuirse a la modificación de la secuencia primaria del ADN y que son hereditarias a través de la mitosis y de la meiosis se clasifican como modificaciones epigenéticas. La metilación del ADN y la modificación de histonas se encuentran entre los procesos epigenéticos mejor caracterizados.
Metilación del ADN La primera modificación epigenética caracterizada en profundidad fue la metilación del ADN. Como su nombre lo indica, la metilación del ADN es el proceso mediante el cual se agrega un grupo metilo al ADN. Las enzimas encargadas de catalizar esta reacción son las ADN metiltransferasas (DNMT). Si bien la metilación del ADN es estable y hereditaria, puede revertirse mediante un grupo antagonista de enzimas conocidas como ADN desmetilasas. En eucariotas, la metilación se encuentra más comúnmente en la posición del carbono 5 de los residuos de citosina (5 mC) adyacentes a la guanina, denominados dinucleótidos CpG.
Los patrones de metilación del ADN varían mucho entre especies e incluso dentro del mismo organismo. El uso de la metilación entre animales es bastante diferente; los vertebrados exhiben los niveles más altos de 5 mC y los invertebrados niveles más moderados de 5 mC. No se ha demostrado que algunos organismos como Caenorhabditis elegans tengan 5 mC ni una ADN metiltransferasa convencional; esto sugeriría que también están implicados otros mecanismos además de la metilación del ADN.
Dentro de un organismo, los niveles de metilación del ADN también pueden variar a lo largo del desarrollo y según la región. Por ejemplo, en las células germinales primordiales de ratón, incluso se produce una desmetilación de todo el genoma; en la etapa de implantación, los niveles de metilación vuelven a sus valores somáticos anteriores. Cuando la metilación del ADN ocurre en las regiones promotoras, los sitios de inicio de la transcripción, tiene el efecto de reprimir la expresión genética. Esto contrasta con las regiones promotoras no metiladas que están asociadas con genes expresados activamente.
El mecanismo por el cual la metilación del ADN reprime la expresión genética es un proceso de varios pasos. La distinción entre residuos de citosina metilados y no metilados se lleva a cabo mediante proteínas de unión al ADN específicas. La unión de estas proteínas recluta la enzima histona desacetilasa (HDAC) que inicia la remodelación de la cromatina de modo que el ADN se vuelve menos accesible a la maquinaria transcripcional, como la ARN polimerasa, reprimiendo eficazmente la expresión génica.
Modificación de histonas En los eucariotas, el ADN genómico está enrollado en complejos proteína-ADN llamados cromatina. Las histonas, que son el tipo de proteína más frecuente que se encuentra en la cromatina, funcionan para condensar el ADN; la carga neta positiva de las histonas facilita su unión con el ADN, que tiene carga negativa. Las unidades básicas y repetitivas de la cromatina, los nucleosomas, consisten en un octámero de proteínas histonas (H2A, H2B, H3 y H4) y una longitud de 146 pb de ADN enrollado a su alrededor. Los nucleosomas y el ADN que se conectan forman una fibra de cromatina de 10 nm de diámetro, que puede condensarse aún más.
El empaquetamiento de cromatina del ADN varía según la etapa del ciclo celular y la región local del ADN. El grado de condensación de la cromatina está asociado a un determinado estado transcripcional. La cromatina suelta o no empaquetada es más activa transcripcionalmente que la cromatina empaquetada estrechamente porque es más accesible a la maquinaria transcripcional. Al remodelar la estructura de la cromatina y cambiar la densidad del empaquetado del ADN, se puede modular la expresión genética.
"La remodelación de la cromatina se produce mediante modificaciones postraduccionales de las colas N-terminales de las proteínas histonas centrales". El conjunto colectivo de modificaciones de histonas en una célula determinada se conoce como código de histonas. Se conocen muchos tipos diferentes de modificación de histonas, que incluyen: acetilación, metilación, fosforilación, ubiquitinación, SUMOilación, ADP-ribosilación, desaminación e isomerización de prolina; la acetilación, metilación, fosforilación y ubiquitinación se han implicado en la activación genética, mientras que la metilación, ubiquitinación, SUMOilación, deiminación e isomerización de prolina se han implicado en la represión genética. Tenga en cuenta que varios tipos de modificación, incluidas la metilación, la fosforilación y la ubiquitinación, pueden asociarse con diferentes estados transcripcionales dependiendo del aminoácido específico de la histona que se modifica. Además, la región del ADN donde se produce la modificación de las histonas también puede provocar diferentes efectos; un ejemplo es la metilación de la histona del tercer núcleo en el residuo de lisina 36 (H3K36). Cuando H3K36 aparece en las secciones codificantes de un gen, se asocia con la activación del gen, pero ocurre lo contrario cuando está dentro de la región promotora.
Las modificaciones de las histonas regulan la expresión génica mediante dos mecanismos: mediante la interrupción del contacto entre los nucleosomas y mediante el reclutamiento de ATPasas remodeladoras de la cromatina. Un ejemplo del primer mecanismo ocurre durante la acetilación de los aminoácidos de la cola terminal de lisina, que es catalizada por histonas acetiltransferasas (HAT). Los HAT son parte de un complejo multiproteico que se recluta en la cromatina cuando los activadores se unen a los sitios de unión del ADN. La acetilación neutraliza eficazmente la carga básica de la lisina, que participaba en la estabilización de la cromatina a través de su afinidad por el ADN cargado negativamente. Por tanto, las histonas acetiladas favorecen la disociación de los nucleosomas y, por tanto, puede producirse un desenrollado de la cromatina. En un estado de cromatina suelta, el ADN es más accesible a la maquinaria transcripcional y, por tanto, se activa la expresión. El proceso se puede revertir mediante la eliminación de los grupos acetilo de histonas mediante desacetilasas.
El segundo proceso implica el reclutamiento de complejos de remodelación de la cromatina mediante la unión de moléculas activadoras a las regiones potenciadoras correspondientes. Los complejos de remodelación de nucleosomas reposicionan los nucleosomas mediante varios mecanismos, permitiendo o inhabilitando la accesibilidad de la maquinaria transcripcional al ADN. El complejo proteico SWI/SNF de la levadura es un ejemplo de un complejo de remodelación de la cromatina que regula la expresión de muchos genes mediante la remodelación de la cromatina.
Relación con otros campos genómicos