La epigenética es el estudio de los cambios en la expresión génica. La expresión (cambio en la actividad del gen) ocurre a través de la metilación del ADN , la acetilación de histonas y la modificación de micro-ARN . Los cambios epigenéticos de este tipo se pueden heredar y luego afectan la evolución . La investigación moderna está en marcha y ya ha quedado claro que la epigenética tiene una gran influencia en todos los organismos vivos . [una]
La metilación del ADN es el proceso por el cual los grupos metilo se unen a una molécula de ADN . La metilación cambia la actividad de un segmento de ADN sin cambiar la secuencia de ADN en sí (es decir, no causa mutación). Las histonas son proteínas que se encuentran en los núcleos de las células. Empaquetan y ordenan el ADN en nucleosomas . La metilación del ADN y la modificación de histonas son dos mecanismos epigenéticos que regulan la expresión génica en las plantas. La metilación del ADN puede ser un proceso estable durante la división celular, lo que permite que la metilación del gen se transmita a los mismos genes en el genoma . La metilación del ADN, con la ayuda de la desmetilasa, puede convertirse en un proceso reversible. La modificación de histonas también es un proceso reversible, con eliminación de acetilhistonas por desacetilasa . Las diferencias interespecíficas en las plantas debido a factores ambientales están asociadas con la diferencia entre las especies de plantas anuales y perennes. Cada planta eventualmente tiene sus propias respuestas adaptativas individuales. [2]
Las formas de metilación de histonas causan la supresión de ciertos genes, estos cambios se heredan de manera estable a través de la mitosis , pero pueden borrarse durante la meiosis con el tiempo. Los tiempos de floración expuestos a bajas temperaturas invernales en esta planta demuestran este efecto de metilación. La metilación de las histonas está involucrada en la supresión de la expresión del inhibidor (supresor) de la floración durante el inicio del clima frío. En el gumflower de un año de Talya, una metilación de histonas similar se hereda de manera estable a través de la mitosis, después de regresar a un período cálido. Esto permite que la planta florezca continuamente en primavera y verano hasta que envejezca. Sin embargo, en plantas afines perennes, la modificación de histonas desaparece rápidamente tras un aumento de la temperatura y permite, por el contrario, aumentar el efecto del inhibidor y limitar la floración a un breve intervalo; para una planta perenne, esta es una forma de almacenar nutrientes para el próximo año. Por lo tanto, las modificaciones epigenéticas de las histonas controlan un rasgo adaptativo clave del trébol de Tal y, al mismo tiempo, la modificación cambia rápidamente en el curso de la evolución, siendo estrategias para una reproducción exitosa. [3]
Otros experimentos han probado los mecanismos epigenéticos de Tal para la sensibilidad a la sequía, la falta de nutrientes. Las plantas con los genomas más similares fueron seleccionadas para el experimento. Las plantas colocadas en diferentes condiciones mostraron una heredabilidad significativa de la epigenética adaptativa. Los rasgos que se produjeron por metilación y que eran importantes para la supervivencia se transmitieron con éxito durante la reproducción. La metilación del ADN dio diferente distribución de raíces, resistencia a la sequía, plasticidad a diferentes tipos de nutrientes. Esto sugiere que solo la variación y la adaptación epigenética conducen a una evolución rápida. [2]
Los cambios inducidos por el estrés en la metilación del ADN se heredan en los dientes de león asexuales . Plantas genéticamente similares fueron sometidas a diferentes estreses ambientales. y luego sus descendientes fueron criados en un ambiente ecológico tranquilo. Muchos de los estreses ambientales causaron metilación en el genoma y estas modificaciones se transmitieron a la próxima generación de dientes de león. Se concluyó que tal herencia permite que las plantas tengan alta plasticidad para la supervivencia de las plantas en cualquier condición, desde alta humedad hasta sequías e incendios. [3]
Paramutación del gen b1 en maíz. El gen b1 codifica un importante factor de transcripción que participa en la síntesis de antocianinas . Cuando se expresa el gen BI, las plantas acumulan antocianinas en sus tejidos, lo que da como resultado una planta de color púrpura. El alelo BI tiene una alta expresión de b1 que conduce a una pigmentación oscura de las membranas y las cáscaras. Mientras que el alelo B tiene una baja expresión de b1 que conduce a una baja pigmentación en estos tejidos. Cuando los padres homocigotos BI se cruzan con padres homocigotos B', su descendencia F1 muestra una baja pigmentación. Esto se debe al "silenciamiento" del gen b1. Cuando se cruzan plantas F1, su descendencia F2 muestra baja pigmentación y tiene bajos niveles de expresión de b1. [4] [5] [6] [7]
Cualquier planta F2, cuando se cruza con una planta BI homocigota, producirá una descendencia que tendrá baja pigmentación y expresión de b1. La ausencia de descendencia F2 de pigmentación oscura es un ejemplo de herencia no mendeliana , y estudios posteriores han demostrado que el alelo BI se convierte en B' a través de mecanismos epigenéticos en lugar de cambios en la secuencia de ADN y mutaciones genéticas. [4] [6] [5] [7]
Los alelos B' y BI son idénticos en la secuencia de ADN, pero difieren en la metilación del ADN y en las interacciones cromosómicas intranucleares. Ocasionalmente, ocurre una mutación espontánea de BI a B', pero nunca ha ocurrido una inversión de B' a BI (verde a púrpura), aunque ha habido miles de observaciones de miles de plantas durante 50 años en experimentos de campo e invernadero. [ocho]
También se han registrado casos de herencia epigenética en arroz confirmados experimentalmente. Los brotes de arroz se sometieron a sequía simulada y luego mostraron una mayor tolerancia a la sequía durante 11 generaciones. La resistencia de los brotes de arroz "endurecidos" en la sequía se debe a cambios dirigidos en la metilación del ADN en todo el genoma, estos cambios finalmente se heredaron en forma de metilación posterior en cada generación de plantas. [9] [10] [11]
En otro experimento, las plantas fueron atacadas por orugas herbívoras durante varias generaciones, luego los descendientes de estas plantas mostraron mayor resistencia a ser comidos por las orugas, el ADN en su conjunto no cambió, pero la metilación del genoma en el ADN volvió a cambiar. Y aquellas plantas que crecieron sin ataques de orugas no estaban dotadas de tales adaptaciones. [diez]
Una comparación de los patrones de metilación de CpG entre humanos y primates ha demostrado que hay más de 800 genes en humanos que difieren en sus patrones de metilación en orangutanes , gorilas , chimpancés y bonobos . Aunque los humanos y los simios nombrados comparten los mismos genes, las diferencias en la metilación explican la diferencia fenotípica entre humanos y simios y, en general, la variabilidad fenotípica de los mismos genes. Todos estos genes son de alguna manera responsables del desarrollo físico de humanos y monos. Como resultado, los humanos se distinguen de los monos a nivel genético no por las secuencias de proteínas, sino por los cambios epigenéticos en los genes.
En el momento de la investigación, está claro que en los humanos, 171 genes están metilados de manera diferente que en los monos. El gen 101 también está metilado de manera única en chimpancés y bonobos. 101 genes están metilados en gorilas y 450 genes están metilados en orangutanes. Por ejemplo, los genes implicados en la regulación de la presión arterial y el desarrollo del canal semicircular del oído interno están muy metilados en los humanos, pero no en los monos. También se conocen 184 genes, que están completamente repetidos en la estructura de las proteínas en humanos y chimpancés, pero difieren en los entornos epigenéticos. Es la metilación lo que finalmente hace que una persona razonable sea lo que es, y no el conjunto de genes en sí mismo, que hasta en un 99% repite el conjunto de genes en chimpancés y otros primates superiores. Esto demuestra el importante papel de la epigenética en la evolución de los humanos y los monos en general [12] .
Se ha demostrado que los cambios en los elementos reguladores afectan los sitios iniciales de transcripción de genes . La secuencia de ADN 471 se enriquece o empobrece en términos de metilación de histonas en H3K4 en la corteza frontal de chimpancés, humanos y macacos. Entre estas secuencias, 33 están metiladas selectivamente en la cromatina neuronal en niños y adultos. Uno de los loci que ha sido metilado es DPP10. Este gen también es responsable de la adaptación de los homínidos asociada con una mayor tasa de sustituciones de nucleótidos y una serie de otros parámetros reguladores que los humanos tienen y están ausentes en otros primates. La regulación epigenética de la cromatina TSS se ha identificado como un desarrollo importante en la evolución de la expresión génica en el cerebro humano. Estos genes juegan un papel simultáneamente en los procesos cognitivos y los trastornos neurológicos en los humanos [13]
Un análisis de los perfiles de metilación de los espermatozoides humanos y de primates mostró que la regulación epigenética también está activa aquí. Las células de mamíferos se someten a la reprogramación de los patrones de metilación del ADN durante el estado embrionario de la célula , la metilación en los espermatozoides humanos y de chimpancé se puede comparar con la metilación en las células madre embrionarias . Se han encontrado muchas diferencias en la metilación entre los espermatozoides y las células madre embrionarias. Muchos de los promotores en el esperma humano y de chimpancé tienen una metilación diferente. Por lo tanto, la metilación difiere entre espermatozoides y células madre en el mismo organismo, y entre espermatozoides humanos y de primates. Esto puede indicar las razones de las diferencias fenotípicas entre primates y Homo sapiens. [13]
En 1998, se realizó un experimento con Drosophila en Suiza. El científico Renato Paro de la Universidad de Basilea hizo lo siguiente: como resultado de mutaciones, las moscas de la fruta tenían ojos amarillos, normalmente rojos. Pero con el aumento de la temperatura del ambiente, los ojos de Drosophila se pusieron rojos y luego sus crías nacieron también con ojos rojos. Se encontró que el elemento cromosómico se activaba en las moscas, cambiaba el color de los ojos. Este es un ejemplo de la herencia por parte de los hijos de los rasgos recibidos por sus padres durante su vida. Los ojos rojos también se conservaron durante la reproducción adicional durante cuatro generaciones más, pero estas generaciones ya no estuvieron expuestas a los efectos térmicos. [catorce]
AbejasEn las abejas Apis mellifera , el cambio en el fenotipo a nivel epigenético ocurre a través de un cambio en el tipo de alimentación. Las abejas obreras alimentan a las larvas con jalea real . Pero al mismo tiempo, la duración de la alimentación varía. Aquellas larvas que se alimentan con jalea real ya no se convierten en reinas. Dentro de estas abejas, ocurren cambios epigenéticos que las distinguen de las abejas obreras simples. Las reinas han aumentado la síntesis de hormonas juveniles y la activación de la vía de señalización TOR, así como una mayor modulación de la vía de señalización de la insulina. La evidencia de que son precisamente los mecanismos epigenéticos los que hacen que los individuos de las abejas sean tan diferentes es que la reina pone huevos absolutamente idénticos en los panales . No son genéticamente diferentes entre sí. [quince]
Los zánganos crecen a partir de huevos no fertilizados . De los fertilizados con la ayuda de la duración de la alimentación con leche, se obtienen reinas o abejas obreras. Las reinas terminan siendo más grandes y viven mucho más que las abejas obreras. La diferencia en la esperanza de vida de la reina y la abeja obrera alcanza 100 veces, las abejas obreras viven 15-38 días en el verano, 150-200 en el invierno. La reina vive 1-2 años. Es la nutrición en la etapa larvaria la que tiene un efecto tan fuerte en los insectos y demuestra claramente la importancia de los cambios epigenéticos de por vida en el genoma. En las abejas, la jalea real estimula la metilación activa del ADN ; en varios taxones, la metilación de regiones de ADN enriquecidas en pares CG en la región promotora del gen conduce a la inhibición de su transcripción . [quince]
En un experimento con abejas , se suprimió la expresión del gen Dnmt3 utilizando siRNA . Este gen codifica una enzima que a su vez cataliza la metilación del ADN. Como resultado, el 72% de las hembras nacidas tenían signos de reinas. [16] Se ha encontrado que más de 550 genes están metilados de manera diferente en los cerebros de las abejas obreras y reinas. [17] Las mayores diferencias se encontraron en las vías de señalización de la insulina y la hormona juvenil , así como en el gen de la quinasa del linfoma anaplásico . El gen de la quinasa juega un papel importante en la regulación del metabolismo . En las reinas, el nivel de metilación del ADN aumentó del segundo al cuarto día de la etapa larval de desarrollo. En las larvas de trabajo, la metilación aumentó en todas las etapas de desarrollo. Más de 4.500 genes se metilan de forma diferente tanto en el rey como en las obreras. Incluyendo marcadas diferencias reveladas en los genes responsables del estrés hipóxico . Las abejas obreras mostraron un mayor nivel de transcripción de los factores de la vía de señalización hipóxica HIFα/Sima, HIFβ/Tango y PHD/Fatig. Las reinas tienen un mayor nivel de expresión de dos genes responsables del proceso de reparación y prevención del daño oxidativo, mientras que en las abejas obreras, el trabajo de estos genes es, por el contrario, reducido. [quince]
[18] Estudios con ratones realizados en la Universidad de Duke por Randy Jirtle y Robert Waterland. Los científicos han insertado un gen artificial en ratones ordinarios, por eso nacieron amarillos, propensos a la obesidad y las enfermedades: ratones agutíes. Luego, una generación de ratones de este tipo, ya preñadas, comenzó a añadir ácido fólico , vitamina B12 , colina y metionina al pienso . Como resultado, nacieron crías sanas en ratones enfermos, pero el gen que los hizo agouti no desapareció del genoma, se conservó pero fue ahogado por mecanismos epigenéticos, y la epigenética, a su vez, funciona activamente cuando el mencionado anteriormente Se introducen sustancias en la dieta. Cambiar la dieta pudo cambiar la epigenética del genoma y neutralizar la mutación dañina en los genes. El efecto de los cambios se conservó en las siguientes generaciones, mientras que la nutrición de la segunda generación y las siguientes se hizo común. [14] [19] [20] [21]
Los biólogos canadienses Michael Meaney y sus colegas de la Universidad McGill realizaron un experimento denominado "lamer y acicalar". Estudiaron el efecto del cuidado materno en las crías de ratas. Las ratas se dividieron en dos grupos. Algunas de las crías de rata nacidas fueron separadas de sus madres inmediatamente después del nacimiento. Las crías de rata que no recibieron atención materna (incluido el lamido) crecieron nerviosas, poco comunicativas y agresivamente cobardes. Todos los cachorros de rata que se quedaron con su madre se desarrollaron como debe ser para las ratas: enérgicos, entrenables, socialmente activos. Surgieron preguntas a qué nivel ocurre la reacción al cuidado y la falta de cuidado en las ratas. La respuesta se obtuvo tras un análisis de ADN. Las crías de rata destetadas experimentaron cambios epigenéticos negativos en el genoma, especialmente en los responsables de la región del hipocampo del cerebro . En el hipocampo, se redujo la cantidad de receptores para las hormonas del estrés. De ahí la reacción inadecuada del sistema nervioso a cualquier estímulo externo : sonido, temperatura, otras ratas. El hipocampo producía constantemente cantidades excesivas de hormonas del estrés . Por el contrario, en las crías de rata criadas por sus madres, el hipocampo funcionaba normalmente [22] [19] [20]
Además, en ratas, se revelaron ejemplos de diferentes comportamientos de las madres. Hay madres que cuidan activamente a las ratas, hay quienes, por el contrario, dedican poco tiempo a los niños. Como resultado, aquellas ratas que crecieron con una madre cariñosa, recibieron mucho lamido, limpieza, alimentación, crecieron menos temerosas, con mejores inclinaciones para el aprendizaje y, por lo tanto, con mayor adaptación a la supervivencia y posterior reproducción exitosa. Por el contrario, las crías de rata demasiado nerviosas de madres indiferentes tienen pocas posibilidades de reproducirse con éxito . El período más importante fue la primera semana después del nacimiento, durante este período el sistema epigenético de las crías de rata es el más flexible y está sujeto a cambios en el genoma y, como resultado, afecta las glándulas suprarrenales , el hipotálamo y la glándula pituitaria . Las ratas de madres cariñosas, colocadas en situaciones estresantes (colgadas de la cola, sumergidas en un recipiente con agua) no se dieron por vencidas durante mucho tiempo, tratando de salir de una situación incómoda y peligrosa hasta el final. el cariño y el cuidado rápidamente cayeron en la apatía, la desesperación. [19]
En el curso del estudio, utilizando la secuenciación con bisulfato , los científicos alcanzaron la región reguladora del receptor de glucocorticoides : el exón 17. En las crías de rata de madres a cargo, no hubo metilación de citosina en el exón 17. Debido a esto, el gen se transcribe activamente . y el nivel de acetilación de histonas es alto, y esto indica una cromatina activa . En crías de rata desatendidas, la citosina en el exón 17 está metilada y su expresión de ARNm se reduce [19] .
El siguiente experimento mostró que el comportamiento materno afecta directamente los cambios epigenéticos en el exón 17. En el período de 12 horas después del nacimiento, las crías de rata fueron separadas de sus madres, algunas se entregaron a ratas madrastras que las cuidaban y otras no las cuidaban. Las madrastras cariñosas no tenían metilación de citosinas en el exón 17 y no diferían de las ratas criadas por su propia madre. En las madrastras que no cuidan, la metilación de la citosina en el exón 17 fue la misma que en las madrastras que no cuidan, se suprimió la citosina y el exón 17 funcionó mucho peor. Sin embargo, un intento de simplemente compensar la metilación con productos químicos (en particular, con la ayuda de un inhibidor de la desacetilasa TSA) no funciona, lo que significa que el cuidado materno desencadena o no desencadena una cascada mucho mayor de reacciones epigenéticas en el cuerpo y no se limita únicamente a la acción sobre la citosina en el exón 17, y es más amplia en cuanto a la gama de acciones. [19]
Al estudiar la transmisión de cambios en la epigenética por sexo de ratas, resultó que la mayor influencia se obtiene en los machos que fueron criados por madres poco cariñosas. Las mujeres de madres que no cuidan se las arreglaban mejor con las tareas y no mostraban depresión. Se supone que las hormonas sexuales de las madres actúan de manera diferente en hombres y mujeres. Luego, las crías de rata fueron destetadas de sus madres en las primeras etapas de alimentación, la mayoría de los machos mostraron síntomas de comportamiento ansioso. Estos machos se cruzaron con hembras nulíparas y, como resultado, las crías de rata nacidas recibieron el cuidado normal y se desarrollaron dentro del rango normal. Sin embargo, en la segunda generación, las hembras empezaron a mostrar signos de depresión y ansiedad, mientras que los machos no, eran normales. En la tercera generación, los machos volvieron a mostrar depresión y ansiedad. Esto indica una herencia discontinua pero bastante larga de la depresión, al menos 4 generaciones por delante, y es un ejemplo de herencia epigenética de rasgos adquiridos durante la vida de los individuos. Cita: [23] [24]
La hipermetilación de las islas CpG en las regiones reguladoras de los genes MeCP2, CB1 y la hipometilación de la región reguladora del gen CRFR2 llevaron a una disminución en la expresión del ARNm de estos genes. Al mismo tiempo, no hubo cambios en la metilación de las regiones reguladoras de los genes del gen del receptor de la serotonina (que juega un papel importante en el desarrollo de la depresión ) y la monoaminooxidasa (que cataliza la división de la serotonina ) Los cambios en los niveles de metilación que ocurren simultáneamente en diferentes genes sugieren que muchos genes afectan el comportamiento de las personas .
Los resultados de este estudio sugieren que el estrés postnatal afecta no solo a los niños, sino también a los hijos más lejanos . [ 18]
Para los humanos, los estudios de los procesos epigenéticos se complican por una serie de factores. No es posible simplemente experimentar directamente. Además, la comunidad humana es un conjunto complejo de mezcla de genes, influencias climáticas, factores culturales, estrés , características nutricionales. La herencia de ADN clásica puede mostrar con precisión las características fenotípicas de las personas. Pero no puede explicar completamente por qué los niños a veces heredan de sus padres signos que claramente se adquieren durante la vida y luego se transmiten durante la reproducción. [25] [26]
El proyecto más masivo y preciso hasta la fecha es el estudio de la epigenética en el ejemplo de la hambruna del invierno holandés de 1944-1945 . La conveniencia de este ejemplo es que se conocen con precisión las personas que sobrevivieron, el tiempo que las personas estuvieron muriendo de hambre, más el área de hambre definida con precisión. 4,4 millones de personas sobrevivieron a la hambruna, que duró desde noviembre de 1944 hasta mayo de 1945. Los niños que nacieron durante la hambruna, después del nacimiento, fueron menos que los nacidos un año antes de la hambruna. Y la disminución de tamaño en los humanos duró dos generaciones. Estos niños tienen un mayor riesgo de intolerancia a la glucosa en la edad adulta. Los estudios han revelado la metilación del ADN en estos individuos, todos los cuales nacieron de madres que los llevaron durante un invierno hambriento. Hay sugerencias de que la metilación causó una desaceleración en el gen PIM3, que es responsable de la tasa metabólica , y cuanto más lento es el gen, más lento es el metabolismo. En general, estos hechos se denominan Síndrome del Invierno Hambriento Holandés. [27] [28]
Los hijos y nietos de madres y abuelas que sobrevivieron a esta hambruna tenían más enfermedades metabólicas, enfermedades cardiovasculares. Eran más propensos a tener esquizofrenia , trastornos esquizotípicos y neurológicos . [29] [30] Los efectos del hambre no son los mismos para todos los niños y varían según el grado de parentesco y las líneas de parentesco.
1 - Índice de masa corporal más alto en niños a los 9 años, esto se transmitió de padres.
2 - Las hijas no tenían un índice de masa corporal elevado a los 9 años, pero comenzaron a fumar antes .
3 - El hambre del abuelo paterno se asocia sólo con la mortalidad de los nietos (niños), pero no de las nietas (niñas).
4- El hambre de la abuela paterna se asoció con la mortalidad de las nietas.
5- La mala nutrición paterna y la buena nutrición materna se asocian con un menor riesgo de enfermedades cardiovasculares en los niños. [31]
En algunos casos se ha observado una pérdida de expresión en el genoma, dando lugar al síndrome de Prader-Willi y al síndrome de Angelman . En el estudio, resultó que esto es causado por cambios epigenéticos en ambos alelos , pero no por una mutación genética en el ADN. En los 19 casos registrados de tales patologías, están claramente vinculados al grado de parentesco entre los hijos y los antepasados de los que sobrevivieron a la hambruna. En particular, los padres portaban un cromosoma con una etiqueta SNURF-SNRPN mutada materna que, a su vez, era heredada por los padres de su abuela paterna. Se registraron cambios epigenéticos en el gen MLH1 en dos personas, pero no hubo mutación en el gen en sí, por lo que no se registró la enfermedad en forma de cáncer colorrectal hereditario no polipósico, y en el caso de una mutación del gen, esta enfermedad se presenta en humanos. [27]
Se ha establecido que la línea paterna es la encargada de regular el peso al nacer de las hijas con riesgo potencial de desarrollar cáncer de mama . [32] [33]
La modificación epigenética de la expresión del receptor de glucocorticoides se observa en niños que han experimentado abuso infantil, abuso, abuso sexual o negligencia demostrativa del niño por parte de sus padres . Estos receptores juegan un papel vital en la actividad del hipotálamo , la pituitaria y las glándulas suprarrenales . Los experimentos con animales indican que los cambios epigenéticos dependen de la relación entre madre e hijo. Los bebés también heredan cambios epigenéticos de sus madres durante la etapa de gestación . Si las madres durante el embarazo fueron sometidas a violencia, estrés, entonces sus hijos tenían cambios epigenéticos en el gen responsable de los receptores de glucocorticoides y eran propensos a un alto nivel de ansiedad y sucumbían al estrés con mayor facilidad. La exposición a la sustancia dietilestilbestrol en las mujeres hace que los nietos hasta la tercera generación tengan un mayor riesgo de desarrollar trastorno por déficit de atención con hiperactividad . [34] [35] [36] [37] [38]
En humanos, se ha registrado la correlación del mes de nacimiento y la predisposición a la diabetes tipo 2. Al mismo tiempo, la brecha entre el momento de la influencia de los factores en el nacimiento de un niño y el inicio de la enfermedad en sí es en promedio de 50 a 60 años. Peter Gluckman y Mark Hanson formularon este problema de la siguiente manera: en el organismo en desarrollo, se produce una adaptación epigenética a las condiciones ambientales que afectan a la madre que da a luz al niño. Pero en el caso de una mudanza o un cambio en las condiciones ambientales, el cuerpo del niño "se equivoca" y hay riesgos de enfermedades. Entonces, si un niño durante el desarrollo fetal tiene una falta de nutrición, se producen procesos metabólicos en el cuerpo, la epigenética estimula los genes para almacenar recursos para uso futuro. Tal niño después del nacimiento, si el hambre continúa, tiene una gran oportunidad de sobrevivir, pero si no hay hambre, su riesgo de obesidad, diabetes y enfermedades del corazón aumenta dramáticamente. [14] [19] [20]
Formación del cuerpo humano y epigenéticaLos mecanismos epigenéticos (especialmente la metilación ) de regulación de la actividad génica están involucrados en muchos procesos asociados con el desarrollo y la formación de todo el cuerpo humano. La inactivación de los cromosomas X en el embrión es un problema para la epigenética, esto se debe a que las hembras de los mamíferos tienen dos copias del cromosoma sexual X, y los machos tienen un cromosoma X y un cromosoma Y. El cromosoma Y es más pequeño y lleva menos información genética, por lo tanto, con la ayuda de la metilación, se apaga un cromosoma X femenino, esto iguala a las hembras y los machos en la transferencia de la genética a la descendencia y no permite una herencia sesgada. [39]
Como saben, el desarrollo del embrión comienza con una sola célula de cigoto, luego, en la etapa de 32 células, se forma un blastocisto, que consta de un trofoblasto y un embrioblasto, seguido de la implantación en la pared uterina. Sin la epigenética, con la ayuda de ADN y ARN simples, sería imposible determinar con precisión la simetría del cuerpo, en qué dirección crecerá la cabeza y en qué piernas. En general, la epigenética es responsable de estos procesos y de la mezcla uniforme de los genomas materno y paterno en el embrión. En la etapa embrionaria de 50-100 células, en cada célula, el cromosoma (paterno o materno) se apaga accidentalmente por metilación y ya permanece inactivo durante el desarrollo posterior de la célula. [39] [40]
El embrión en la etapa de desarrollo primario consiste en células embrionarias universales , pueden convertirse en cualquier célula del cuerpo: células cerebrales o células de las uñas. La regulación epigenética del genoma determina qué célula o tejido comenzará a formarse y dónde. Cualquier fallo en el trabajo de la epigenética conduce a patologías oa la muerte del embrión, mientras que el propio ADN puede ser normal, sin patologías ni mutaciones. La desventaja de la metilación es que está directamente relacionada con la nutrición del padre y la madre, especialmente durante el período de concepción y gestación. Los trastornos emocionales, la actividad cerebral de la madre, la temperatura, el hambre, el estrés tienen un fuerte impacto en la epigenética y la metilación del ADN en el embrión y luego en el niño. [39] [40]
La epigenética es responsable de la formación de capas germinales, esta es la primera etapa de la división celular en futuros tejidos y órganos. Como resultado, en la etapa final, la epigenética dividirá las células en casi doscientos tipos. Todos ellos son el resultado de activar y desactivar genes en un período de tiempo estrictamente definido. Como resultado, los genes actúan como programas completamente controlados, mientras que los mecanismos epigenéticos regulan estos programas. [40]
InmunidadLos mecanismos epigenéticos: la modificación de las histonas a través de la acetilación y la desacetilación de los residuos de lisina y la remodelación de la cromatina son reguladores de la inmunidad de importancia crítica en todas las personas. La epigenética es responsable de todas las respuestas de todas las células inmunes a diversas amenazas. En el contexto de la inmunidad innata, la epigenética regula la separación de las células innatas de las mieloides y es responsable de la variación fenotípica en las células separadas. Las células inmunitarias responden a antígenos e infecciones a través de cascadas transcripcionales. Estas cascadas de reacción se regulan epigenéticamente a través de modificaciones de histonas, remodelación de la cromatina a nivel de genes, microARN y metilación del ADN. Como resultado, las citocinas y las moléculas antiinfecciosas se expresan en respuesta a la amenaza. La metilación del ADN en el contexto de la inmunidad innata está menos estudiada que la acetilación de histonas. Se sabe que después de las enfermedades se producen cambios significativos en la metilación del ADN en las células de la inmunidad innata. La acción de las vacunas se basa en la epigenética del organismo. [41]
La herencia epigenética puede afectar la aptitud si cambia de manera predecible los rasgos de un organismo a través de la selección natural. Se ha comprobado que los estímulos ambientales inciden en el cambio de epigenes. Tal sistema es relativamente similar al que sugirió Lamarck, pero no cancela el sistema darwiniano de selección natural. La epigenética le da a un organismo una ventaja en un cambio repentino en el medio ambiente (del hambre a las temperaturas) y le permite sobrevivir con más éxito en escalas de tiempo pequeñas y medianas. Al mismo tiempo, la selección darwiniana actuará sobre todos los organismos, y si ciertos cambios epigenéticos no son beneficiosos, los individuos no dejarán descendencia. [veinte]
En las plantas de Linaria vulgaris , el gen Lcyc controla la simetría de las flores. Linnaeus describió flores mutantes radialmente simétricas; surgen con una fuerte metilación del gen Lcyc. Para los polinizadores, tanto la forma como la simetría de las flores son un factor importante, por lo que tales violaciones en el gen Lcyc tienen consecuencias perjudiciales para las plantas. En los animales, la epigenética tampoco siempre trae cambios beneficiosos. Los rasgos heredados pueden conducir a una mayor susceptibilidad a la enfermedad. En particular, los cambios epigenéticos en humanos conducen a la oncología. Los patrones de metilación tumoral en los genes promotores se asocian positivamente con la transmisión oncológica por herencia, dentro de las familias. La metilación del gen MSH2 en humanos está asociada con cánceres colorrectales y de endometrio de aparición temprana. [42] [43] [44] [45]
Como experimento, las semillas de Arabidopsis thaliana fueron desmitiladas, lo que provocó un aumento significativo en la mortalidad, crecimiento lento, floración lenta y bajo conteo de frutos. Estos hechos indican que la epigenética puede aumentar la aptitud de los organismos. Recibidas como resultado del estrés ambiental, las respuestas al estrés se heredan y se asocian positivamente con la aptitud de los organismos. En animales como los ratones, la epigenética influye en la anidación comunitaria, aumenta el cuidado de los padres y el contacto social, y mejora las posibilidades de supervivencia de las crías. [46] [47] [48]
Los efectos epigenéticos hereditarios sobre los fenotipos están bien documentados en bacterias, protistas, hongos, plantas, nematodos y moscas de la fruta. En general, de acuerdo con los desarrollos modernos en experimentos, la epigenética juega un papel más importante para las plantas que para los animales. En animales en etapa temprana (germen), la herencia por el mecanismo epigenético es más difícil, mientras que en plantas y hongos, las células somáticas pueden ser incluidas en el desarrollo embrionario. Existe la teoría de que cuanto más grande es el animal, más tiempo vive, la herencia epigenética menos efectiva, debido a la mayor brecha de tiempo entre generaciones. Por ejemplo, en ratones, los cambios epigenéticos beneficiosos son claramente visibles y afectan la supervivencia y la rápida adaptación a nuevas condiciones. Sin embargo, cuanto más grande es el organismo, más difícil le resulta en general cambiar de hábitat, tipo de nutrición, comportamiento sexual, etc. [49] [50]
Los descubrimientos epigenéticos no contradicen ni la teoría de Lamarck ni la teoría de Darwin, sino que están relacionados con ambas. Por ejemplo, Lamarck postuló que los factores ambientales influyen en los cambios en los fenotipos. Hoy está claro que esto es cierto, cuando se exponen al medio ambiente, especialmente en formas extremas (sequía, hambruna), se potencian los cambios epigenéticos en el genoma y las líneas germinales, lo que aumenta la diversidad fenotípica. La teoría de Darwin postulaba que la selección natural aumenta la capacidad de las poblaciones supervivientes para reproducirse con éxito, y las que se adaptan más rápidamente a las condiciones ambientales cambiantes siempre sobreviven. El darwinismo es, por lo tanto, consistente con la plasticidad del cambio epigenético entre generaciones y el aumento constante de la diversidad fenotípica como resultado de que la epigenética mejora la transmisión de rasgos adquiridos durante la vida. [25] [51]
Los organismos en el mismo lugar se benefician más de la transmisión epigenética de rasgos. Cuanto más unido está un organismo a un punto, menor es su capacidad para dispersar genes a otros puntos, y cuanto más simple es su comportamiento, más importante es que transmita a la descendencia los rasgos epigenéticos acumulados durante la vida tanto como sea posible. Esto explica por qué hay menos organismos epigenéticamente activos en un entorno poco cambiante y más de ellos en un entorno que cambia activamente. [25] [51]