Imprinting

El imprinting es una modificación química estable del DNA que implica la formación de alelos no funcionales. Se hereda de forma clonal y su transmisión es distinta según el sexo.

Primero se descubrió en insectos, donde se vio que ciertos cromosomas o juegos cromosómicos completos se perdían y no se transmitían a la siguiente generación. Los estudios en Cóccidos revelaron que la pérdida del genoma paterno puede ocurrir en distintas etapas del desarrollo. En sciáridos se parte de un cigoto con tres parejas de autosomas, tres cromosomas X y una serie de cromosomas llamados cromosomas L, que se pueden perder durante la división celular. En función del sexo se pierden unos u otros cromosomas.

Sin embargo, el estudio del imprinting se ha centrado en mamíferos y angiospermas. En este caso, los genomas masculino y femenino contribuyen por igual a la formación del cigoto, pero tienen efectos fenotípicos distintos. Esto es debido a que ciertos genes se transmiten de forma silente. En mamíferos se conocen 83 genes troquelados. La mayoría son autosómicos y los RNAs correspondientes se transcriben en el genoma materno o en el paterno, pero no en los dos. Los primeros experimentos se realizaron en ratón mediante el transplante nuclear (1984):

– Embriones 2n androgenéticos Mayor desarrollo de la placenta y menor el del embrión.

– Embriones 2n ginogenéticos Menor desarrollo de la placenta y mayor el del embrión.

Lo mismo se encontró en embriones triploides humanos. A través de otros estudios se pudo determinar la función de los genes troquelados, están implicados en el crecimiento fetal y posparto y también se relacionan con caracteres del comportamiento.

En ratón se realizaron estudios basados en la complementación de gametos. Se cruzaba un macho heterocigoto para una translocación con una hembra heterocigota para la misma translocación. Entonces se forman gametos desequilibrados, pero complementarios al fusionarse. Se obtienen individuos disómicos uniparentales (dos copias del mismo gen procedentes del mismo parental). En ratón se conocen unos 80 genes y 29 coinciden con genes humanos. La mayoría implicados en el desarrollo embrionario. Algunos no codifican proteínas sino RNAs implicados en el mecanismo de imprinting. Además están agrupados en los cromosomas, suelen tener replicación asincrónica y regulación espacio-temporal. Estos grupos de genes presentan con frecuencia secuencias de control: ICRs (secuencias troqueladas de control en cis). Mediante la técnica de complementación se definen las regiones y después se buscan los genes, para ello existen distintos métodos como: mutagénesis, microarrays, búsqueda de genes homólogos, rastreo de RNAs no codificantes…etc. Así se identificaron diferentes genes troquelados como Igf2 (factor de crecimiento fetal) y Mash-2 (factor de transcripción hélice-lazo-hélice).

La marca epigenética debe establecerse en los gametos y ser estable en todos los tejidos donde debe ser reconocida. Además tiene que poder ser borrada y reestablecida.

El ciclo del imprinting consiste en: se parte de un óvulo y un espermatozoide que tienen unas marcas gaméticas de metilación que son específicas. Primero tiene lugar una oleada de demetilación, pero las marcas de imprinting no desaparecen. Después se vuelve a marcar (remetilación) y se marca como óvulo o como espermatozoide. La metilación se caracteriza por:

– Estar catalizada por la familia de DNA metiltransferasas, principalmente hemimetilasas como Dnmt1.

– Su distribución es muy variable.

– Es importante para regular la expresión génica y no toda está relacionada con el imprinting.

– A veces el alelo silente es el metilado y otras el activo.

Es importante destacar que en casi todos los genes troquelados o cerca se han encontrado zonas susceptibles de metilación. Para estudiar la metilación en el tiempo se usaron anticuerpos anti 5-metilcitosina en embriones. Se vio que en el oocito el grado de metilación es muy bajo, mientras que en el espermatozoide es muy elevado. En embriones de 3 horas el marcaje es igual en cromosomas masculinos y femeninos, justo después de la fecundación los cromosomas maternos se metilan rápidamente. La demetilación de los cromosomas femeninos tiene lugar en la 3ª-4ª división y es de forma gradual. Los cromosomas paternos parten de un estado metilado, después se descondensan y pierden la metilación. En la línea germinal se tienen que borrar las marcas y establecerse como óvulo o como espermatozoide.

Se han realizado muchos estudios para determinar como se establece la metilación diferencial. Se podría explicar por la distinta estructura de la cromatina en el óvulo y el espermatozoide, además existen distintas proteínas asociadas y también un papel diferencial de los RNAs no codificantes. Se ha visto que existe una proteína CTCF, que se une al alelo materno no metilado en células somáticas, entonces no se puede metilar. Así existe una expresión alternativa. En otros casos existe la influencia de secuencias repetidas, lugares de reclutamiento de proteínas o transcripción transitoria de RNAs.

Además distintas proteínas contribuyen al mantenimiento del estado de metilación. Así, proteínas del complejo polycomb (EZH2, Eed…etc) de Drosophila interaccionan con DNA metiltransferasas para el mantenimiento de la metilación de histonas (Lys 27 H3). Después nuevas proteínas se unen al DNA metilado, reforzando el silenciamiento. Ej: deacetilación de histonas. Hay una relación entre la acetilación de histonas y la expresión génica:

– Histonas acetiladas ? Transcripción.

– Histonas deacetiladas ? Silenciamiento.

La metilación puede producir silenciamiento génico. A veces los alelos están metilados en el promotor implicando silenciamiento, pero también se puede dar una regulación coordinada. Existen distintos modelos:

1. Competición de Enhancers. Regulación en grupo. Igf2 y H19 imprinting recíproco.

2. Barreras cromatínicas. La formación de un lazo puede impedir que el promotor y el enhancer interaccionen. Ej: 5´ de H19.

3. RNA antisentido: interferencia transcripcional. Ej: Tsix, Igf2r, UBE3A.

4. RNA antisentido: interferencia postranscripcional.

5. Conformación de la cromatina.

El fenómeno de imprinting se ha asociado con ciertas enfermedades:

– Síndrome de Prader-Willi.

– Síndrome de Angelman.

Implican un defecto de la zona troquelada del cromosoma 15. Se puede deber a deleciones o a disomía uniparental. Normalmente son microdeleciones. También existen otras enfermedades humanas relacionadas con el imprinting como el autismo, esquizofrenia, trastorno bipolar, alcoholismo…etc. Además la alteración de genes troquelados puede dar lugar a la aparición de cáncer. Se puede producir aumento de la expresión de un proto-oncogén o perder la funcionalidad de genes supresores de tumores. Determinados procesos relacionados con reproducción asistida pueden alterar el imprinting, implicando graves consecuencias para el embrión. Ej: superovulación, criopreservación y maduración in Vitro.

El cromosoma X supone un caso especial. En Marsupiales se inactiva el Xp, en Euterios el Xp se inactiva en tejidos extraembrionarios. Existen genes que escapan a la inactivación. Además hay un centro de inactivación Xic. En los oocitos de los Euterios el cromosoma X está activo, pero en el espermatozoide está preinactivado. En el cigoto y en el embrión temprano, existe un X activo y un X inactivo, así se transmite a la placenta y a los tejidos extraembrionarios. En el blastocisto y en los distintos tejidos derivados del embrión, se produce una reactivación al azar. Xist lleva a cabo la inactivación.

Las posibles funciones del imprinting son:

– Remanente del sistema de defensa contra el DNA parásito (transposones).

– Evitar la partenogénesis.

– Reducir el “ruido transcripcional” en genomas complejos.

– Conflicto parenteral. Es la teoría más aceptada, se da en mamíferos y angiospermas. En la mayoría de los genes troquelados los alelos activos son los paternos y los inactivos son los maternos. Este conflicto es más acusado en los casos de poliandria y en sociedades matrilineales.

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