Epigenetic regulation of developmental genes in embryonic stem cell differentation

Resumen

La epigenética fue definida por Conrad Waddington en 1942 como la ciencia que estudia cómo los genotipos dan lugar a fenotipos a través de cambios programados durante el desarrollo (Waddington, 1942). El desarrollo se considera el proceso que conduce a la formación de un organismo completo a partir de una sola célula mediante cambios progresivos. Después de la fecundación del óvulo, el cigoto se divide dando lugar a blastómeros, células consideradas totipotentes, ya que tienen el potencial de originar cualquier tipo celular diferenciado. En el estadío de dieciséis células, la mórula está constituida por células externas que dan lugar al trofoblasto, y por un pequeño grupo de células internas del que deriva el proprio embrión, denominado masa celular interna (ICM) (Barlow et al., 1972). El aislamiento de la ICM en esta etapa y su propagación in vitro en condiciones adecuadas, conduce a la derivación de líneas de células madre embrionarias (Moon et al., 2006). Estas células se definen como pluripotentes, ya que, aunque pueden formar cualquier linaje de células del embrión, ya han superado el primer paso de diferenciación. En 1998 se derivaron células madre embrionarias humanas (hESC) demostrando que estas células podían ser propagadas indefinidamente en cultivo y diferenciadas a varios linajes celulares (Gearhart, 1998; Thomson, 1998). Las células madre son una herramienta muy útil hoy en día para el estudio molecular de las primeras fases del desarrollo y, en un futuro, podrían ser utilizadas para producir nuevas células funcionales en situaciones patológicas en las que está comprometida la función celular (Deb and Sarda, 2008). El conocimiento de nuevos mecanismos moleculares que conciernen a la epigenética ha llevado a añadir nuevos conceptos a la definición original. Consideramos un proceso epigenético aquel que afecte a la expresión de genes sin que para ello se vea alterada la secuencia de nucleótidos, de forma que puedan ser heredados a través de la división celular (Holliday, 1987). En el núcleo de células eucariotas, el ADN está organizado en nucleosomas (Oudet et al., 1975), una estructura modular formada por 147 pares de bases de ADN de doble cadena que rodean a un octámero de histonas (compuesto por dos dímeros de histonas H2A-H2B y un tetrámero de histonas H3- H4). La maquinaria epigenética se encarga de determinar la accesibilidad de la información contenida en el ADN utilizando un código formado por modificaciones covalentes en el ADN o en las histonas (Kouzarides, 2007). Las variaciones que la maquinaria epigenética introduce en la estructura cromosómica determinan diferencias en la compactación de la cromatina que se correlacionan estrechamente con estados de actividad o inactividad génica. Las histonas poseen colas peptídicas que sobresalen de los nucleosomas y pueden ser modificadas en muchos residuos de aminoácidos. Hay por lo menos 30 sitios potenciales de modificación de histonas para cada nucleosoma y ocho tipos de modificaciones (metilación, acetilación, fosforilación, ubiquitinación, sumoilación, ADP-ribosilación, isomerización de prolina y biotinilación), algunas de las cuales pueden tener diferentes configuraciones (por ejemplo, la lisina pueden ser mono-, di- o trimetilada). La información contenida en las distintas combinaciones de las modificaciones de las histonas determina el estado funcional del ADN ; este lenguaje suele ser denominado código de histonas (Jenuwein and Allis, 2001). La metilación del ADN se produce principalmente en citosinas que preceden a guaninas (CpGs). Estos dinucleótidos CpG se distribuyen asimétricamente en el genoma. Las regiones densas son las denominadas ¿islas CpG¿, y se encuentran en la región promotora de aproximadamente la mitad de todos los genes. Estas islas CpG generalmente se encuentran no metiladas en las células normales (Illingworth and Bird, 2009). La falta de metilación permite la expresión de estos genes. Durante el desarrollo, ciertas islas CpG están sometidas a modificaciones en el patrón de metilación relacionadas con la diferenciación de los tejidos y el desarrollo. La diferenciación de las células madre embrionarias humanas (hESC) exige la represión de los factores de transcripción implicados en el mantenimiento de la pluripotencia, así como la activación de los genes de desarrollo. Ambos procesos son dirigidos por determinados mecanismos epigenéticos. Un ejemplo del primer tipo es la hipermetilación del promotor de los genes encargados del mantenimiento de la pluripotencia, como NANOG y OCT4 (Lagarkova et al., 2006) (Fig. I-8). Hasta ahora, hay pocos estudios sobre el proceso de desmetilación en la activación de genes de desarrollo durante la diferenciación de células madre. Sin embargo, se conoce que estos genes se encuentran, en su mayoría, en un estado reprimido durante las primeras etapas de desarrollo, debido a un patrón específico de modificaciones de las histonas, denominado ¿dominio bivalente¿, que consiste en la coexistencia de metilación de la lisina 27 y de la lisina 4 de la histona H3 (Bernstein et al., 2006) (Fig. I-8). Este estado de represión de la cromatina está mediado por proteínas del grupo de Polycomb (Lee et al., 2006a; Sparmann and Van 102 EPIGENETIC REGULATION OF DEVELOPMENT102 Lohuizen, 2006). Se describió además que esta modificación predispone a una hipermetilación aberrante de promotores de genes supresores tumorales (TSG) en cáncer (Fig. 39) (Ohm et al., 2007; Schlesinger et al., 2007; Widschwendter et al., 2007). Otro aspecto importante de la epigenética es la acetilación de histonas, una modificación asociada con activación de la transcripción génica (Shogren-Knaak et al., 2006). Las enzimas histonas desacetilasas se encargan de eliminar la acetilación de los nucleosomas, ejerciendo así una acción inhibidora de la trascripción. La Sirtuina 1 (SirT1) es una lisina desacetilasa dependiente del co-factor NAD+ que participa en múltiples procesos celulares, incluyendo la remodelación de la cromatina, el silenciamiento de la transcripción, la mitosis, las respuestas al estrés, la reparación del ADN, la apoptosis, el ciclo celular, la estabilidad genómica, la regulación de insulina, y el control de la longevidad (Vaquero, 2009), así como un papel destacado en el desarrollo. En mamíferos, la función de SirT1 está mediada por su actividad desacetilasa, no sólo sobre las colas de las histonas (principalmente K16 y K9 de la histona H3 (Pruitt et al., 2006; Vaquero et al., 2007b), sino también por su actividad sobre factores de transcripción clave, como la proteína p53 y factores de transcripción FOXO (forkhead box protein), entre otros (Guarente and Picard, 2005). Estudios recientes realizados sobre modelos de ratones sugieren que SirT1 es importante en la diferenciación de células madre, así como en la diferenciación neuronal y glial de precursores neuronales (Prozorovski et al., 2008) y en la diferenciación de mioblastos esqueléticos en respuesta a la disponibilidad de glucosa (Fulco et al., 2003). Además, los ratones deficientes en SirT1 presentan graves defectos neurales, incluyendo neuro exencefalia y trastornos de la morfogénesis de la retina (Cheng et al., 2003; McBurney et al., 2003b). Sin embargo, la función de SirT1 en la diferenciación de hESC está todavía sin explorar.