Huella genética

La impronta genómica es un fenómeno epigenético que hace que los genes se expresen o no, según se hereden de la madre o del padre. Los genes también se pueden imprimir parcialmente. La impronta parcial ocurre cuando los alelos de ambos padres se expresan de manera diferente en lugar de la expresión completa y la supresión completa del alelo de uno de los padres. Se han demostrado formas de impronta genómica en hongos, plantas y animales. En 2014, se conocían alrededor de 150 genes impresos en ratones y aproximadamente la mitad en humanos. A partir de 2019, se informaron 260 genes impresos en ratones y 228 en humanos.

La impronta genómica es un proceso de herencia independiente de la herencia mendeliana clásica. Es un proceso epigenético que implica la metilación del ADN y la metilación de las histonas sin alterar la secuencia genética. Estas marcas epigenéticas se establecen ("imprimen") en la línea germinal (espermatozoides u óvulos) de los padres y se mantienen a través de divisiones celulares mitóticas en las células somáticas de un organismo.

La impresión adecuada de ciertos genes es importante para el desarrollo normal. Las enfermedades humanas que involucran la impronta genómica incluyen los síndromes de Angelman, Prader-Willi y Beckwith-Wiedemann. Los defectos de metilación también se han asociado con la infertilidad masculina.

Resumen

En los organismos diploides (como los humanos), las células somáticas poseen dos copias del genoma, una heredada del padre y otra de la madre. Por lo tanto, cada gen autosómico está representado por dos copias, o alelos, con una copia heredada de cada padre en la fertilización. El alelo expresado depende de su origen parental. Por ejemplo, el gen que codifica el factor de crecimiento similar a la insulina 2 (IGF2/Igf2) solo se expresa a partir del alelo heredado del padre. Aunque la impronta representa una pequeña proporción de los genes de los mamíferos, juegan un papel importante en la embriogénesis, particularmente en la formación de estructuras viscerales y del sistema nervioso.

El término "impresión" se utilizó por primera vez para describir eventos en el insecto Pseudococcus nipae. En Pseudococcids (cochinillas) (Hemiptera, Coccoidea) tanto el macho como la hembra se desarrollan a partir de un huevo fertilizado. En las hembras, todos los cromosomas permanecen eucromáticos y funcionales. En los embriones destinados a convertirse en machos, un conjunto haploide de cromosomas se heterocromatiniza después de la sexta división y permanece así en la mayoría de los tejidos; los machos son, por lo tanto, funcionalmente haploides.

Genes impresos en mamíferos

Que la impronta podría ser una característica del desarrollo de los mamíferos se sugirió en experimentos de reproducción en ratones que portaban translocaciones cromosómicas recíprocas. Los experimentos de trasplante de núcleo en cigotos de ratón a principios de la década de 1980 confirmaron que el desarrollo normal requiere la contribución de los genomas materno y paterno. La gran mayoría de los embriones de ratón derivados de la partenogénesis (llamadas partenogenonas, con dos genomas maternos o de óvulos) y la androgénesis (llamadas androgenonas, con dos genomas paternos o de esperma) mueren en la etapa de blastocisto/implantación o antes. En los raros casos en que se desarrollan hasta las etapas posteriores a la implantación, los embriones ginogenéticos muestran un mejor desarrollo embrionario en relación con el desarrollo placentario, mientras que para las androgenonas ocurre lo contrario. Sin embargo, para este último, solo se han descrito algunos (en un artículo de 1984).

No existen casos naturales de partenogénesis en mamíferos debido a genes impresos. Sin embargo, en 2004, la manipulación experimental por parte de investigadores japoneses de una huella de metilación paterna que controlaba el gen Igf2 condujo al nacimiento de un ratón (llamado Kaguya) con dos juegos maternos de cromosomas, aunque no es un verdadero partenogenona ya que se utilizaron células de dos ratones hembra diferentes. Los investigadores pudieron tener éxito utilizando un óvulo de un padre inmaduro, reduciendo así la impronta materna y modificándolo para expresar el gen Igf2, que normalmente solo se expresa mediante la copia paterna del gen.

Los embriones partenogenéticos/ginogenéticos tienen el doble del nivel de expresión normal de genes derivados de la madre y carecen de expresión de genes expresados paternamente, mientras que lo contrario es cierto para los embriones androgenéticos. Ahora se sabe que hay al menos 80 genes impresos en humanos y ratones, muchos de los cuales están involucrados en el crecimiento y desarrollo embrionario y placentario. La descendencia híbrida de dos especies puede exhibir un crecimiento inusual debido a la nueva combinación de genes impresos.

Se han utilizado varios métodos para identificar genes impresos. En cerdos, Bischoff et al. compararon los perfiles transcripcionales utilizando micromatrices de ADN para examinar genes expresados diferencialmente entre partenotes (2 genomas maternos) y fetos de control (1 genoma materno, 1 paterno). Un intrigante estudio que examinó el transcriptoma de tejidos cerebrales murinos reveló más de 1300 loci de genes impresos (aproximadamente 10 veces más de lo que se informó anteriormente) mediante secuenciación de ARN de híbridos F1 resultantes de cruces recíprocos. Sin embargo, el resultado ha sido cuestionado por otros que afirmaron que se trata de una sobreestimación en un orden de magnitud debido a un análisis estadístico defectuoso.

En el ganado domesticado, se ha demostrado que los polimorfismos de un solo nucleótido en genes impresos que influyen en el crecimiento y el desarrollo fetal están asociados con rasgos de producción económicamente importantes en bovinos, ovinos y porcinos.

Mapeo genético de genes impresos

Al mismo tiempo que se generaban los embriones ginogenéticos y androgenéticos discutidos anteriormente, también se generaban embriones de ratón que contenían solo pequeñas regiones derivadas de una fuente paterna o materna. La generación de una serie de tales disomías uniparentales, que juntas abarcan todo el genoma, permitió la creación de un mapa de impronta. Aquellas regiones que cuando se heredan de un solo padre dan como resultado un fenotipo discernible contienen genes impresos. Investigaciones posteriores mostraron que dentro de estas regiones a menudo había numerosos genes impresos. Alrededor del 80% de los genes impresos se encuentran en grupos como estos, llamados dominios impresos, lo que sugiere un nivel de control coordinado. Más recientemente, las pantallas de todo el genoma para identificar genes impresos han utilizado la expresión diferencial de ARNm de fetos de control y fetos partenogenéticos o androgenéticos hibridados con microarreglos de perfiles de expresión génica, expresión génica específica de alelo usando microarreglos de genotipado SNP, secuenciación de transcriptomas y canalizaciones de predicción in silico..

Mecanismos de impresión

La impresión es un proceso dinámico. Debe ser posible borrar y restablecer las huellas a través de cada generación para que los genes que están impresos en un adulto aún puedan expresarse en la descendencia de ese adulto. (Por ejemplo, los genes maternos que controlan la producción de insulina se imprimirán en un macho, pero se expresarán en cualquiera de los descendientes del macho que hereden estos genes). Por lo tanto, la naturaleza de la impresión debe ser epigenética en lugar de depender de la secuencia de ADN.. En las células de la línea germinal, la impronta se borra y luego se restablece según el sexo del individuo, es decir, en el espermatozoide en desarrollo (durante la espermatogénesis), se establece una impronta paterna, mientras que en los ovocitos en desarrollo (oogénesis), se establece una impronta materna. Este proceso de borrado y reprogramación es necesario para que el estado de impronta de las células germinales sea relevante para el sexo del individuo. Tanto en las plantas como en los mamíferos hay dos mecanismos principales que intervienen en el establecimiento de la huella; estos son la metilación del ADN y las modificaciones de histonas.

Recientemente, un nuevo estudio ha sugerido un nuevo mecanismo de impronta heredable en humanos que sería específico del tejido placentario y que es independiente de la metilación del ADN (el mecanismo principal y clásico para la impronta genómica). Esto se observó en humanos, pero no en ratones, lo que sugiere un desarrollo posterior a la divergencia evolutiva entre humanos y ratones, ~80 millones de años. Entre las explicaciones hipotéticas para este nuevo fenómeno, se han propuesto dos posibles mecanismos: una modificación de histonas que confiere impronta en nuevos loci impresos específicos de la placenta o, alternativamente, un reclutamiento de DNMT a estos loci por un factor de transcripción específico y desconocido que se expresaría durante la diferenciación temprana del trofoblasto.

Regulación

La agrupación de genes impresos dentro de grupos les permite compartir elementos reguladores comunes, como ARN no codificantes y regiones metiladas diferencialmente (DMR). Cuando estos elementos reguladores controlan la impronta de uno o más genes, se conocen como regiones de control de impronta (ICR). Se ha demostrado que la expresión de ARN no codificantes, como el ARN antisentido Igf2r (Air) en el cromosoma 17 de ratón y KCNQ1OT1 en el cromosoma humano 11p15.5, es esencial para la impronta de genes en sus correspondientes regiones.

Las regiones metiladas diferencialmente son generalmente segmentos de ADN ricos en nucleótidos de citosina y guanina, con los nucleótidos de citosina metilados en una copia pero no en la otra. Contrariamente a lo esperado, la metilación no significa necesariamente silenciar; en cambio, el efecto de la metilación depende del estado predeterminado de la región.

Funciones de los genes impresos

El control de la expresión de genes específicos mediante la impresión genómica es exclusivo de los mamíferos terios (mamíferos placentarios y marsupiales) y las plantas con flores. Se ha informado la impresión de cromosomas completos en cochinillas (Género: Pseudococcus) y un mosquito del hongo (Sciara). También se ha establecido que la inactivación del cromosoma X ocurre de manera impresa en los tejidos extraembrionarios de ratones y en todos los tejidos de los marsupiales, donde siempre es el cromosoma X paterno el que está silenciado.

Se ha descubierto que la mayoría de los genes impresos en los mamíferos tienen funciones en el control del crecimiento y desarrollo embrionario, incluido el desarrollo de la placenta. Otros genes impresos están involucrados en el desarrollo posnatal, con funciones que afectan la lactancia y el metabolismo.

Hipótesis sobre los orígenes de la impronta

Una hipótesis ampliamente aceptada para la evolución de la impronta genómica es la "hipótesis del conflicto parental". También conocida como la teoría del parentesco de la impronta genómica, esta hipótesis establece que la desigualdad entre los genomas de los padres debido a la impronta es el resultado de los diferentes intereses de cada padre en términos de la aptitud evolutiva de sus genes. Los genes del padre que codifican para la impronta obtienen una mayor aptitud a través del éxito de la descendencia, a expensas de la madre. El imperativo evolutivo de la madre es a menudo conservar los recursos para su propia supervivencia mientras proporciona suficiente alimento a las camadas actuales y posteriores. En consecuencia, los genes expresados de forma paterna tienden a promover el crecimiento, mientras que los genes expresados de forma materna tienden a limitar el crecimiento. En apoyo de esta hipótesis, se ha encontrado una impronta genómica en todos los mamíferos placentarios, donde el consumo de recursos de la descendencia posterior a la fertilización a expensas de la madre es alto; aunque también se ha encontrado en aves ovíparas donde hay relativamente poca transferencia de recursos después de la fecundación y, por lo tanto, menos conflicto entre los padres. Una pequeña cantidad de genes impresos evolucionan rápidamente bajo la selección darwiniana positiva, posiblemente debido a la coevolución antagónica. La mayoría de los genes impresos muestran altos niveles de conservación de microsintesis y han sufrido muy pocas duplicaciones en linajes de mamíferos placentarios.

Sin embargo, nuestra comprensión de los mecanismos moleculares detrás de la impronta genómica muestra que es el genoma materno el que controla gran parte de la impronta de sus propios genes y los derivados paternos en el cigoto, lo que dificulta explicar por qué los genes maternos cederían voluntariamente su dominio al de los genes derivados del padre a la luz de la hipótesis del conflicto.

Otra hipótesis propuesta es que algunos genes impresos actúan de manera coadaptativa para mejorar tanto el desarrollo fetal como el suministro materno para la nutrición y el cuidado. En él, un subconjunto de genes expresados paternamente se expresan conjuntamente tanto en la placenta como en el hipotálamo de la madre. Esto se produciría a través de la presión selectiva de la coadaptación de padres e hijos para mejorar la supervivencia infantil. El 3 expresado paternalmente (PEG3) es un gen para el que se puede aplicar esta hipótesis.

Otros han abordado su estudio de los orígenes de la impronta genómica desde un lado diferente, argumentando que la selección natural opera sobre el papel de las marcas epigenéticas como maquinaria para el reconocimiento de cromosomas homólogos durante la meiosis, en lugar de su papel en la expresión diferencial. Este argumento se centra en la existencia de efectos epigenéticos en los cromosomas que no afectan directamente a la expresión génica, pero sí dependen del progenitor del que se originó el cromosoma. Este grupo de cambios epigenéticos que dependen del progenitor de origen del cromosoma (incluidos los que afectan a la expresión génica y los que no) se denominan efectos de origen parental e incluyen fenómenos como la inactivación del X paterno en los marsupiales, cambios no aleatorios distribución de cromátidas parentales en los helechos, e incluso cambio de tipo de apareamiento en la levadura. Esta diversidad de organismos que muestran efectos de origen parental ha llevado a los teóricos a ubicar el origen evolutivo de la impronta genómica antes del último ancestro común de plantas y animales, hace más de mil millones de años.

La selección natural para la impresión genómica requiere variación genética en una población. Una hipótesis sobre el origen de esta variación genética afirma que el sistema de defensa del huésped responsable de silenciar elementos extraños del ADN, como genes de origen viral, silenció por error genes cuyo silenciamiento resultó ser beneficioso para el organismo. Parece haber una sobrerrepresentación de genes retrotranspuestos, es decir, genes que son insertados en el genoma por virus, entre los genes impresos. También se ha postulado que si el gen retrotranspuesto se inserta cerca de otro gen impreso, puede adquirir esta impresión.

Firmas fenotípicas de loci impresas

Desafortunadamente, la relación entre el fenotipo y el genotipo de los genes impresos es únicamente conceptual. La idea se enmarca utilizando dos alelos en un solo locus y alberga tres posibles clases diferentes de genotipos. La clase de genotipo de heterocigotos recíprocos contribuye a comprender cómo la impronta afectará la relación genotipo a fenotipo. Los heterocigotos recíprocos tienen un equivalente genético, pero no son equivalentes fenotípicamente. Su fenotipo puede no depender de la equivalencia del genotipo. En última instancia, esto puede aumentar la diversidad en las clases genéticas, ampliando la flexibilidad de los genes impresos. Este aumento también obligará a un mayor nivel en las capacidades de prueba y variedad de pruebas para determinar la presencia de impronta.

Cuando un locus se identifica como impreso, dos clases diferentes expresan alelos diferentes. Se cree que los genes impresos heredados de la descendencia son expresiones monoalélicas. Un solo locus producirá por completo el fenotipo de uno, aunque se heredan dos alelos. Esta clase de genotipo se denomina impronta parental, así como impronta dominante. Los patrones fenotípicos son variantes de posibles expresiones de genotipos paternos y maternos. Diferentes alelos heredados de diferentes padres albergarán diferentes cualidades fenotípicas. Un alelo tendrá un valor fenotípico mayor y el otro alelo será silenciado. La subdominancia del locus es otra posibilidad de expresión fenotípica. Tanto los fenotipos maternos como los paternos tendrán un valor pequeño en lugar de que uno albergue un valor grande y silencie al otro.

Los marcos estadísticos y los modelos de mapeo se utilizan para identificar los efectos de la impronta en genes y rasgos complejos. Los padres de origen alélicos influyen en la variedad de fenotipos que se derivan de la impronta de las clases de genotipos. Estos modelos de mapeo e identificación de efectos de impronta incluyen el uso de genotipos desordenados para construir modelos de mapeo. Estos modelos mostrarán la genética cuantitativa clásica y los efectos del dominio de los genes impresos.

Trastornos asociados con la impronta

La impronta puede causar problemas en la clonación, con clones que tienen ADN que no está metilado en las posiciones correctas. Es posible que esto se deba a la falta de tiempo para lograr la reprogramación por completo. Cuando se agrega un núcleo a un óvulo durante la transferencia nuclear de células somáticas, el óvulo comienza a dividirse en minutos, en comparación con los días o meses que lleva la reprogramación durante el desarrollo embrionario. Si el tiempo es el factor responsable, puede ser posible retrasar la división celular en los clones, dando tiempo para que ocurra la reprogramación adecuada.

Un alelo del "callipyge" (del griego para "nalgas hermosas"), o CLPG, el gen en ovejas produce nalgas grandes que consisten en músculo con muy poca grasa. El fenotipo de glúteos grandes solo ocurre cuando el alelo está presente en la copia del cromosoma 18 heredado del padre de una oveja y no está en la copia del cromosoma 18 heredado de esa oveja. mi madre

La fecundación in vitro, incluida la ICSI, se asocia con un mayor riesgo de trastornos de impronta, con una razón de probabilidad de 3,7 (intervalo de confianza del 95 %: 1,4 a 9,7).

Infertilidad masculina

Se han observado desregulaciones epigenéticas en el gen impreso H19 en el esperma asociadas con la infertilidad masculina. De hecho, la pérdida de metilación en el gen impreso H19 se ha observado asociada con la hipermetilación del promotor del gen MTHFR en muestras de semen de hombres infértiles.

Prader-Willi/Angelman

Los primeros trastornos genéticos impresos que se describieron en humanos fueron el síndrome de Prader-Willi y el síndrome de Angelman heredados recíprocamente. Ambos síndromes están asociados con la pérdida de la región cromosómica 15q11-13 (banda 11 del brazo largo del cromosoma 15). Esta región contiene los genes SNRPN y NDN expresados de forma paterna y el gen UBE3A expresado de forma materna.

• La herencia paternal de la eliminación de esta región se asocia con el síndrome de Prader-Willi (caracterizado por hipotonia, obesidad e hipogonadismo).
• La herencia materna de la misma eliminación se asocia con el síndrome de Angelman (caracterizado por epilepsia, temblores y una expresión facial perpetuamente sonriente).

DIRAS3 (NOEY2 o ARH1)

DIRAS3 es un gen expresado paternamente y con impronta materna ubicado en el cromosoma 1 en humanos. La expresión reducida de DIRAS3 está relacionada con un mayor riesgo de cáncer de ovario y de mama; en el 41% de los cánceres de mama y ovario, la proteína codificada por DIRAS3 no se expresa, lo que sugiere que funciona como un gen supresor de tumores. Por lo tanto, si se produce una disomía uniparental y una persona hereda ambos cromosomas de la madre, el gen no se expresará y la persona correrá un mayor riesgo de cáncer de mama y de ovario.

Otro

Otras afecciones que involucran la impronta incluyen el síndrome de Beckwith-Wiedemann, el síndrome de Silver-Russell y el pseudohipoparatiroidismo.

La diabetes mellitus neonatal transitoria también puede implicar la impronta.

La "hipótesis del cerebro impreso" argumenta que la impronta desequilibrada puede ser una causa de autismo y psicosis.

Genes impresos en otros animales

En los insectos, la impronta afecta a cromosomas completos. En algunos insectos, el genoma paterno completo se silencia en la descendencia masculina y, por lo tanto, está involucrado en la determinación del sexo. La impronta produce efectos similares a los mecanismos de otros insectos que eliminan los cromosomas heredados del padre en la descendencia masculina, incluida la arrenotoquia.

En las especies placentarias, el conflicto entre padres e hijos puede resultar en la evolución de estrategias, como la impronta genómica, para que los embriones subviertan el suministro de nutrientes maternos. A pesar de varios intentos de encontrarlo, la impronta genómica no se ha encontrado en ornitorrincos, reptiles, pájaros o peces. La ausencia de impronta genómica en un reptil placentario, Pseudemoia entrecasteauxii, es interesante ya que se pensaba que la impronta genómica estaba asociada con la evolución de la viviparidad y el transporte de nutrientes placentarios.

Los estudios en ganado doméstico, como ganado lechero y de carne, han implicado genes impresos (p. ej., IGF2) en una variedad de rasgos económicos, incluido el rendimiento lechero en ganado Holstein-Friesian.

Comportamiento de búsqueda de alimento del ratón

Un estudio publicado en marzo de 2022 documenta que el comportamiento de búsqueda de alimento en los ratones estudiados estuvo influenciado por una expresión alélica sexualmente dimórfica que implica una influencia de impronta de género cruzado que varía en todo el cuerpo y puede dominar la expresión y dar forma a un comportamiento.

Genes impresos en plantas

También se ha descrito un fenómeno de impronta similar en plantas con flores (angiospermas). Durante la fertilización del óvulo, un segundo evento de fertilización separado da lugar al endospermo, una estructura extraembrionaria que nutre al embrión de manera análoga a la placenta de los mamíferos. A diferencia del embrión, el endospermo a menudo se forma a partir de la fusión de dos células maternas con un gameto masculino. Esto da como resultado un genoma triploide. La proporción 2:1 de genomas maternos a paternos parece ser crítica para el desarrollo de semillas. Se encuentra que algunos genes se expresan a partir de ambos genomas maternos, mientras que otros se expresan exclusivamente a partir de la única copia paterna. Se ha sugerido que estos genes impresos son responsables del efecto de bloqueo triploide en plantas con flores que evita la hibridación entre diploides y autotetraploides. Se han propuesto varios métodos computacionales para detectar genes de impronta en plantas a partir de cruces recíprocos.