Tema 2. Alteraciones genéticas y epigenéticas (2015)

Apunte Español
Universidad Universidad de Lleida (UdL)
Grado Ciencias Biomédicas - 2º curso
Asignatura Patología celular y molecular
Año del apunte 2015
Páginas 16
Fecha de subida 03/05/2016
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2º C. Biomédicas (UdL) Irene LV PATOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR TEMA 2. Alteraciones genéticas y epigenéticas en el desarrollo de patologías Las patologías son debidas principalmente a alteraciones genéticas (mutaciones), exposiciones a agentes ambientales (como por ejemplo bacterias) o a la combinación de ambas, es decir, causa genética y ambiental (un virus provoca una mutación).
MODIFICACIONES GENÉTICAS: MUTACIÓN Una MUTACIÓN se define como un cambio permanente en el DNA y es la base de las enfermedades genéticas. Pueden deberse a: - Errores espontáneos (se desconoce su causa).
- Errores de replicación.
- Errores de reparación del DNA.
-Mutaciones inducidas.
Existen distintas clasificaciones de las mutaciones.
CLASIFICACIÓN ESTRUCTURAL 1. Mutación a nivel génico: alteración que afecta a uno o a unos pocos genes.
2. Mutación a nivel cromosómico: cambio visible en el cromosoma.
3. Mutación a nivel genómico: afecta a la composición del genoma.
CLASIFICACIÓN FUNCIONAL 1. Pérdida de función.
2. Ganancia de función.
3. Dominante negativa: estas mutaciones activan a la proteína y al mismo tiempo hacen que no funcione bien y que esta molécula mutada predomine sobre la función de la proteína normal. Parte de la cantidad total de la proteína que se traduzca estará mutada y otra parte no (no todos los cromosomas incluirán la mutación): la mutada domina sobre la normal; esto puede ocurrir en las proteínas diméricas (si tienen un monómero mutado y otro normal, será el mutado el que domine en la función del dímero).
CLASIFICACIÓN ESTRUCTURAL 1. MUTACIÓN A NIVEL GÉNICO Las mutaciones a nivel génico también pueden clasificarse en función del tipo o en función del lugar donde se produce la mutación. En función del tipo pueden ser: - Mutaciones puntuales: sustitución de una base.
- Deleciones e inserciones.
1 Patología celular y molecular Las deleciones e inserciones de un número de nucleótidos que no sea múltiplo de tres causan (no siempre ocurre) cambios en el marco de lectura, conocidos como mutaciones Frameshift.
Por ejemplo, la fibrosis quística constituye un ejemplo de deleción que no influye en la pauta de lectura. Esta enfermedad es producida por la deleción de 3 nucleótidos, lo que causa que se pierda un aminoácido, la fenilalanina.
Esta pérdida afecta al receptor de los canales de cloro.
Las mutaciones Frameshift causan un error en la interpretación de los codones: cambia toda la pauta de lectura, creándose una proteína aberrante que normalmente o se degrada o bien se acumula en forma de agregados. Por tanto, este tipo de mutaciones afectan siempre a la secuencia codificante.
Un ejemplo de ellas es la determinación del grupo sanguíneo: el grupo 0 se creó por una mutación que cambió el marco de lectura y que se conservó en la evolución.
- Mutaciones por expansión de repeticiones de tri-nucleótidos: son las producidas cuando se repite un trinucleótido o codón, creándose repeticiones en tándem.
2 2º C. Biomédicas (UdL) Irene LV Pueden afectar tanto a regiones codificantes como a regiones no codificantes.
Las mutaciones en regiones no codificantes causan patologías por diferentes mecanismos.
- Suprimiendo o incrementando la transcripción.
- Produciendo RNAs anormales o alterando su estabilidad (las mutaciones que afectan a los extremos 5' y 3' UTR afectan a la estabilidad del mRNA).
- Generando defectos en el proceso de traducción.
Además también existe una clasificación más funcional del las mutaciones: clasificación por categorías, dependiendo de la función a la que afectan. Hay mutaciones que afectan a enzimas, coenzimas, proteínas implicadas en transporte, proteínas estructurales, etc.
2. MUTACIÓN A NIVEL CROMOSÓMICO Se produce un cambio visible en el cromosoma. Pueden afectar a un solo cromosoma: deleción, duplicación o inversión (de una región): 3 Patología celular y molecular También pueden afectar a dos cromosomas: inserciones (un trozo de un cromosoma se inserta en otro diferente) y translocaciones (se intercambia un trozo de un cromosoma con un trozo de otro).
3. MUTACIÓN A NIVEL GENÓMICO Estas mutaciones afectan al número de cromosomas.
Las mutaciones cromosómicas y genómicas pueden causar DESÓRDENES MULTIGÉNICOS COMPLEJOS. El fenotipo final de la enfermedad en este tipo de desórdenes estará gobernado por combinaciones de factores genéticos y ambientales. Tienen herencia multifactorial, no solo multigénica, y son de difícil predicción. Ejemplos de estos desórdenes son: labio/paladar leporino, enfermedad cardiaca congénita, enfermedad coronaria, hipertensión, Alzheimer y otras enfermedades neurodegenerativas, diabetes, estenosis pilórica,...
Además, como ya sabemos, las mutaciones no solo afectan al DNA nuclear; también hay mutaciones que afectan al DNA mitocondrial y provocan graves patologías (como la Neuropatía Óptica Hereditaria de Leber - LHON). Cabe destacar que el DNA mitocondrial es mucho más susceptible a sufrir mutaciones debido a su localización, a sus sistemas de reparación menos eficaces,...
4 2º C. Biomédicas (UdL) Irene LV MODIFICACIONES EPIGENÉTICAS La EPIGENÉTICA son los cambios HEREDABLES en la expresión génica que no implican cambios en la secuencia del DNA. Los cambios en la expresión genética normalmente son causados por cambios en la estructura de la cromatina.
Una EPIMUTACIÓN es un cambio epigenético (es decir, un cambio heredable en la expresión) aberrante que origina una patología.
Como ya sabemos, el DNA (en las células eucariotas) se encuentra en forma de cromatina, asociado a proteínas: las histonas. La cromatina puede tener distintos grados de compactación (en función de la etapa del ciclo celular en l que se encuentre, de si se trata de una región transcripcionalmente activa,...): Cuando el DNA está muy compactado (como es el caso de la heterocromatina), la maquinaria transcripcional no puede acceder, es decir, los genes están silenciados. Pero el estado de compactación es algo dinámico, puede cambiar. Son los cambios epigenéticos los que regulan la remodelación de la cromatina.
Las ALTERACIONES o LESIONES EPIGENÉTICAS son cambios en la expresión normal, por ejemplo: se silencia una región que debe expresarse, se expresa una región que no debe, etc. Es decir, cambia la expresión genética.
Existen tres mecanismos epigenéticos que regulan la compactación y, con ello, la expresión génica de toda la célula: - Metilación: se añaden grupos metilo al DNA para reprimir la expresión génica.
- Modificación de histonas: una combinación de diferentes moléculas se pueden unir a las colas de las histonas, modificando la expresión génica.
- microRNAs (RNA de interferencia) 5 Patología celular y molecular METILACIÓN DEL DNA Se añaden grupos metilo en las citosinas de las islas CPG, que se encuentran en el promotor. Las enzimas encargadas de metilar citosinas son las DNAmetil transferasas. Un promotor NO metilado conlleva a la EXPRESIÓN del gen.
Por contra, cuando hay metilación, el gen se silencia: los grupos metilo evitan que se unan los factores de transcripción necesarios para la expresión del gen (para el paso de DNA a RNA). Además, las citosinas metiladas tienen afinidad por ciertas proteínas que intervienen en otros mecanismos de silenciamiento (como las proteínas compactadoras del DNA o HDACS).
Existen dos tipos de metilación: - Metilación de novo - Metilación de mantenimiento: mediante metilasas de mantinimiento. Al transcribir, se copia el patrón de metilación de las cadena molde. Así es como se hereda la metilación.
6 2º C. Biomédicas (UdL) Irene LV El hecho de los cambios epigenéticos sean heredables implica la transmisión de enfermedades epigenéticas de padres a hijos.
MODIFICACIÓN DE HISTONAS Las histonas que forman parte de los nucleosomas tienen en su región N-terminal unas colas con residuos de lisina susceptibles a ser modificadas; estas modificaciones son muy importantes ya que regulan el estado de compactación de la cromatina y, por tanto, la transcripción.
Los residuos de lisina de estas colas pueden sufrir diferentes modificaciones: -Acetilación ( activación) - Metilación ( silenciamiento) - Ubiquitinación - Sumoilación (las proteínas son covalentemente modificadas mediante la adición de una pequeña proteína llamada SUMO; las consecuencias son variadas y dependen de la proteína que ha sido modificada).
-Fosforilación ACETILACIÓN Se trata de la modificación post-traduccional de las histonas más conocida y estudiada. Por norma general ACTIVA la transcripción, es decir, provoca la relajación de la cromatina compactada (abre la cromatina para que sea más transcripcionalmente activa).
Las enzimas encargadas de añadir el grupo acetil son las HISTONA ACETILTRANSFERASAS (HAT). La acetilación es un proceso reversible, por lo que otras enzimas, las HISTONAS DEACETILTRANSFERASAS (HDACs) catalizan el proceso inverso: extraen el grupo acetil provocando la compactación de la cromatina y con ello, el silenciamiento de la región de DNA.
7 Patología celular y molecular Cada una de las colas N-terminales de las histonas que forman parte de la cromatina tienen residuos de lisina, pero también cuentan con otros residuos susceptibles a otras modificaciones: arginina, treonina y serina.
En un cromosoma se pueden dar diversas combinaciones de modificaciones que crean un código que determina el destino final de la expresión de un gen.
Este código epigenético creado por el balance de modifcaciones es extremadamente complejo y es leído por una serie de proteínas que harán que haya expresión o no.
Un ejemplo de estas proteínas es la HP1, proteína estructural que se une a las histonas H3 que están metiladas, manteniendo compactada la cromatina.
8 2º C. Biomédicas (UdL) Irene LV Estos mecanismos de silenciamiento y expresión deben estar bien coordinados: un promotor que se está expresando debe estar acetilado y demetilado.
Cuando una cascada de señalización indica que el gen debe silenciarse se activan las enzimas metil transferasas pero las histonas también deben deacetilarse para que no haya expresión. Las islas CpG metiladas atraen a las proteínas MBP (Methyl-CpG Binding Protein; que, como su propio nombre indica se unen a las histonas metiladas) que a su vez reclutan a las histonas deacetilasas o a proteínas compactadoras (como las HDACs).
Hay muchas enfermedades que tienen causa exclusiva o parcialemente epigenética; y dentro de estas, existem ENFERMEDADES ASOCIADAS A ALTERACIONES EN LA METILACIÓN DEL DNA.
Estas alteraciones pueden ocurrir por diversas causas: - Mutaciones en las DNA metiltransferasas, que provocan que estan no funcionen correctamente por lo que hay genes que no podrán silenciarse. Síndrome ICF.
- Mutaciones en proteínas que reconocen MBP (Methyl-CpG binding protein).
- Sobre-expresión de las metiltransferasas.
- Deficiencia en la metilación: por ejemplo, la defiiciencia de folato afecta al sistema de metilación.
- ...
9 Patología celular y molecular METILACIÓN Y CÁNCER En el caso del cáncer, las alteraciones en la metilación resultan tan importantes como las alteraciones de causa genética en los genes supresores y en oncogenes.
Por ejemplo, la hipermetilación del promotor de un gen supresor de tumores hace que este no se exprese, dando a la célula vía libre para proliferar. Cabe destacar que, para que se desarrolle un cáncer, no es suficiente con una sola alteración.
Por otro lado, la hipometilación del promotor en oncogenes hace que éstos se expresen más de lo que deberían.
Otras enfermedades ligadas a alteraciones en la metilación son los Síndromes de Angelman y Prader Wili. Estos síndromes están relacionados con el fenómeno del GENOMIC IMPRINTING: metilación diferencial de los genes según sean de procedencia materna o paterna (la metilación de un gen dependerá de si se encuentra en un cromosoma de origen materno o paterno). El proceso consta de tres fases: 1. Establecimiento del imprinting durante la gametogénesis según sean oocitos o espermatocitos.
2- Mantenimiento del imprinting en las células somáticas.
3- Reprogramación del imprinting en los nuevos gametos.
Por ejemplo: el individuo recibe un cromosoma del padre y otro de la madre, y se debe evitar que esos genes se expresen dos veces; por ello, una de las dos copias, en este caso la del padre, debe estar metilada.
10 2º C. Biomédicas (UdL) Irene LV A la hora de que el individuo produzca sus células germinales: - El oocito sabe borrar la metilación, para transmitir a la descendencia la copia sin metilar.
- El espermatocito debe contener la copia metilada.
En el cromosoma 15 se encuentran los genes de Angelman y Prader Wili.
En la copia paterna, el gen del Angelman debe estar metilado y el de Prader Wili, no.
En la copia materna debe ocurrir al revés: el gen de Angelman no estará metilado y el de Prader Wili sí.
SÍNDROME DE ANGELMAN: Se trata de una deleción en el cromosoma 15 que afecta a la región donde se encuentra el gen Angelman. El síndrome se da cuando la mutación afecta a la copia materna, es decir, a la que no está metilada, quedando el gen inactivo totalmente (ya que la única copia que está es la paterna, que está inactiva).
SÍNDROME DE PRADER WILI En este caso, se produce una deleción en el cromosoma 15 que afecta a la región donde se encuentra el gen de Prader Wili que está activo, es decir, a la copia paterna o no metilada. Por tanto, al igual que ocurre con el caso del síndrome de Angelman, el gen Prader Wili queda inactivo completamente.
Al tratarse la metilación de un proceso reversible, se obtendría la expresión normal de estos dos genes si se consiguiera deshacer la metilación de la copia inactiva.
SÍNDROME DEL X FRÁGIL Es una enfermedad causada por la expansión de trinucleótidos (combinación de causas genéticas y epigenéticas): se expande el codón CGG situado en la región promotora del gen FMR-1, creándose una nueva isla CpG entre el 5' UTR y el promotor. Esta nueva isla CpG es susceptiblle de ser metilada, por lo que cae la expresión del gen FMR-1 y, por tanto, disminuye la producción de esta proteína. La pauta de lectura de la proteína continúa siendo normal: se ha creado una modificación epigenética aberrante. La proteína FMR-1 (Familial Mental Retardation) está implicada en el transporte de mRNA hasta las dendritas, por lo que su disminuición provoca un mal desarrollo del sistema nervioso.
11 Patología celular y molecular Este síndrome empeora con las generaciones ya que la región va aumentando de tamaño. Además, cuando el número de repeticiones supera el valor (aprox.) de 230 se produce la metilación del gen, que pierde su función--> se produce el Síndrome de X Frágil.
SÍNDROME DE COFFIN-LOWRY Es un trastorno genético raro caracterizado por el retraso mental, retraso en el crecimiento, retraso psicomotor, hipotonia general y anomalías esqueléticas.
Es causado por mutaciones en el gen que codifica para la RSK2, una serina treonina kinasa que participa en la remodelación de histonas, ya que fosforila: histonas directamente (H3) y a la proteína CBP300, una acetiltransferasa a la que activa mediante la fosforilación.
Cuando hay alteraciones en la fosforilación y en la acetilación de un gen, se altera su expresión: para que haya transcripción las colas de las histonas deben estar acetiladas y fosforiladas.
SÍNDROME DE RUBINSTEIN-TAYBI Es causado por mutaciones en la proteína CREB-Binding Protein (o en su homóloga p300) que tiene actividad histona acetil transferasa. Esta alteración, por tanto, modifica la acetilación: cambia el patrón de modificación de las histonas.
Como los cambios epigenéticos son reversibles (la epigenética es modulable), se curaría la enfermedad si se encontrara la forma de modificar la epigenética.
SÍNDROME DE RETT Este síndrome se debe a mutaciones en la proteína MeCP2 (Methyl-CpG Binding Protein) que hace de puente entre las HDACs (histonas deacetil transferasas) y las citosinas metiladas: no se podrá acetilar el DNA, por lo que los genes continuarán expresándose aunque debieran estar metilados.
12 2º C. Biomédicas (UdL) Irene LV Las mutaciones inactivadoras de MeCP2 provocan una pérdida de la represión de genes en el sistema nervioso.
DEPRESIÓN En las bases moleculares de la depresión hay modificaciones epigenéticas. El estrés, mediante distintos mecanismos, activa metiltransferasas que cambian el patrón de metilación, provocando que se altere la expresión de proteínas y factores que intervienen en la depresión .
Además, inhibidores de las HDACs están en fases clínicas de estudio como posible tratamiento para la depresión; el problema es que, al ser inespecíficos, se recuperaría la expresión de genes que no se quiere. Algunos inhibidores de las HDACs se emplean actualmente como tratamiento en algunos tipos de cáncer.
Podemos extraer la siguiente conclusión: Existen muchas enfermedades y trastornos ocasionados por una combinación de alteraciones genéticas y epigenéticas. Al ser irreversibles los cambios epigenéticos, estas enfermedades podrían solucionarse mediante la modificación de la epigenética.
MicroRNAs Los microRNAs o miRNAs son, como su propio nombre indica, RNAs pequeños (entre 19 y 22 nm) de doble cadena. No son codificantes, es decir, no dan lugar a proteínas.
La función de los microRNAs es reprimir la actividad de los mRNAs a los que son complementarios (función antagónica al mRNA). Debido a su tamaño reducido, un solo microRNA puede regular la expresión de muchas proteínas diferentes. Los microRNAs regulan un 30% de los productos de los genes de mamíferos.
Están muy conservados evolutivamente.
Los microRNAs se sintetizan en el núcleo, a partir de genes del DNA, que se transcriben dando lugar a pri-microRNAs largos (se transcriben largas cadenas) e inmaduros. Un pri-microRNA puede contener más de un microRNA. Se requieren dos proteínas, llamadas Drosha y Pasha, que corten este pri-microRNA para formar pre-microRNA. Los pre-microRNA, que tienen forma de horquilla de unos 70 nt, se exportan a citosol mediante la exportina 5. Una vez en el citosol, el complejo DICER los corta, generado microRNAs maduros (que siguen siendo duplex).
Se separan las dos cadenas del microRNA, que se cargan en el complejo RISC (RNA induced silencing complex). Con la ayuda de RISC, los microRNAs localizan sus secuencias complementarias en los mRNA diana: 13 Patología celular y molecular -Si la complementariedad es absoluta (del 100%) se induce la degradación del mRNA gracias a las nucleasas del complejo RISC. Este mRNA no se traduce, por lo que disminuye la expresión.
- Cuando hay complementariedad parcial (no hace falta complementariedad del 100%) también se silencia la expresión. No se degrada el mRNA pero se induce la parada de la traducción.
La región de reconocimiento (complementaria a la secuencia del microRNA) está situada en el extremo 3' UTR del mRNA, no en la región codificante. Ante una alteración en la región 3' UTR un mRNA que no debía ser reconocido lo sea o que un mRNA que debía ser complementario al microRNA no lo sea.
Los microRNA se han relacionado con muchos tipos de patologías.
microRNA Y CÁNCER Los microRNA pueden regular la expresión de oncogenes o genes supresores de tumores .
- Cuando un microRNA cuya función es reconocer al mRNA que codifica para un oncogén ve reducida su expresión, el resultado será una mayor expresión de la debida del oncogén. Cuando el microRNA debe silenciar al oncogén, actúa como supresor de tumores.
- Un microRNA también puede actuar como oncogén si su función es regular la expresión de un gen supresor de tumores. Cuando este se sobreexpresa, se inhibirá al gen supresor más de lo necesario.
14 2º C. Biomédicas (UdL) Irene LV Se producen gran cantidad de tumores con patrones de deficiencia de microRNA.
También se ha encontrado relación entre los microRNAs y enfermedades del sistema nervioso.
Por ejemplo, en el caso del Alzheimer se acumulan determinadas proteínas que forman placas. Esta acumulación se debe a que un microRNA no funciona conrrectamente y no inhibe la expresión de un gen que debería.
También se ha encontrado relación entre los microRNAs y algunas enfermedades autoinmunes, como el lupus.
*Actualmente, y debido a que los microRNAs han sido un descubrimiento relativamente reciente, se están intentando asociar a las enfermedades cuya causa todavía no se conoce.
También se ha visto que hay microRNAs implicados en enfermedades cardiovasculares.
Además, se ha descubierto que son muy buenos biomarcadores de enfermedades, ya que se liberan a la sangre cuando se produce necrosis celular y, como son muy estables (son fragmentos cortos de doble cadena), no se degradan fácilmente. Se pueden emplear por ejemplo para detectar un infarto de miocardio, en el que se produce isquemia que conlleva a una necrosis. se libera el contenido del citoplasma, incluidos los microRNAs.
Se han observado incrementos y disminuciones de microRNA en plasma en determinados tumores, por lo que también pueden emplearse como biomarcadores en caso de un tumor. También se han detectado variaciones de los niveles de microRNAs en plasma en otras enfermedades (como la enfermedad de Crohn o la tuberculosis activa).
Por otro lado, también se ha visto que los microRNAs pueden liberarse de la célula de manera regulada en microvesículas o exosomas para que actúen como moléculas de señalización celular. Hacen el papel de hormonas, inhibiendo la actividad de otras células que se encuentran a distancia de la célula de la que proceden.
15 Patología celular y molecular Se están desarrollando estrategias para modificar la expresión de microRNAs para regular patologías. Los Anti-microRNAs y Antago-microRNAs inhiben la expresión de un microRNA que se encuentre en exceso. Se unen al microRNA, ya que son complementarios a este, e impiden que pueda reconocer al mRNA.
También se puede aumentar artificialmente la expresión de microRNAs mediante mimics de microRNA.
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