La Epigenética engloba el estudio de las modificaciones estructurales y bioquímicas que no implican modificaciones de la secuencia del DNA. Los mecanismos epigenéticos de metilación o desmetilación del DNA, modificación de las histonas y la presencia de algunos RNAs no codificantes (ncRNAs) intervienen en varios procesos fisiológicos y patológicos mediante la regulación de la expresión génica. La disrupción de estos mecanismos juega un papel importante en la patogénesis de las enfermedades no transmisibles como lo son las afecciones cardiovasculares, metabólicas, obesidad, enfermedades autoinmunes e inflamatorias, cáncer y también en el proceso de envejecimiento.
Gracias a la incorporación de las nuevas tecnologías en este campo, se han desarrollado y adaptado una serie de herramientas y técnicas que han permitido pasar de los estudios de regiones concretas al acceso a perfiles epigenómicos de alto rendimiento, incluso a nivel unicelular, con una resolución cada vez mayor.
Metilación del DNA
Es el proceso por el cual se añaden grupos metilo a algunas de las citosinas del DNA que están situadas en una posición previa a una guanina. Constituye un mecanismo de regulación de la expresión génica al impedir físicamente la unión de factores de transcripción y propiciar, además de forma indirecta, la estructura “cerrada” de la cromatina.
La metilación del DNA es esencial durante el desarrollo embrionario. En las células somáticas, estos patrones se transmiten a las células hijas con una alta fidelidad. Los patrones aberrantes de metilación del DNA (hipermetilación e hipometilación) en comparación con el tejido normal han sido asociados a un gran número de tumores malignos humanos.
El tratamiento del DNA con bisulfito de sodio provoca que las citosinas no metiladas se conviertan en uracilos, mientras que las metiladas no se ven afectadas lo cual permite cuantificar el estado de metilación mediante la utilización de técnicas posteriores de diferenciación.
Los primeros análisis de un locus o región específica mediante técnicas tradicionales como la secuenciación de productos MSP-PCR (Methylation-specific polymerase chain reaction) o el análisis de restricción para múltiples muestras por COBRA (Combined Bisulfite Restriction Analysis), así como la pirosecuenciación, han dado paso al estudio de perfiles de metilación globales del DNA en todo o gran parte del genoma mediante las siguientes tecnologías de alto rendimiento:
Microarrays basados en hibridación
Como el BeadChip Array Infinium EPIC-8 v.2.0 Infinium HD Methylation de Illumina que interroga a la vez más de 937.000 sitios de metilación que cubren la mayoría de las islas CpG que han sido incluidas en el conjunto de estudios de metilación.
Es el método más utilizado para evaluar el estado de metilación de todas las regiones genómicas, incluyendo las de baja densidad de islas CpG como son las regiones intergénicas, los dominios parcialmente metilados y los elementos regulatorios distales.
Secuenciación masiva: Whole Genome Bisulfite Sequencing (WGBS).
Análisis de metilación por secuenciación de célula única
Las técnicas de single cell WGBS (scWGBS) y single-cell RRBS (Reduced Representation Bisulfite Sequencing) permiten estudiar las funciones a nivel celular que intervienen en procesos clave como el desarrollo y la tumorgénesis.
Además de los importantes avances tecnológicos aplicados a los análisis de metilación del DNA en células únicas, su integración junto con otras ómicas a nivel celular (transcriptoma y metaboloma), podrá elucidar las funciones celulares y biológicas de la epigenética en sistemas biológicos complejos.
Modificaciones postraduccionales de histonas (MPT)
Las histonas son las proteínas de soporte que forman parte de la cromatina junto con el DNA. Las modificaciones de histonas son cambios químicos postraduccionales (acetilación, metilación, fosforilación, butitilación, hidroxibutirilación, crotonilación, citrulinación, formulación, glicosilación, O-GlcNAcilación, carbonilación, parsilación y glutationilación), que se producen en los aminoácidos de los dominios de la zona N-terminal.
Estos cambios alteran la estructura y conformación de la cromatina (condensación o descondensación), silenciando o activando regiones enteras de los cromosomas y de los genes localizados allí.
Se trata de una de las regulaciones epigenéticas más importantes ya que afecta a las reacciones basadas en la cromatina y la expresión genética al influir en los programas transcripcionales o firmas MPT.
Estas firmas MPT se han encontrado alteradas en un rango muy amplio de enfermedades como el cáncer, síndromes neurológicos y enfermedades raras como el síndrome de Coffin-Lowry y el síndrome de Rubinstein-Taybi.
Los métodos tradicionales de cuantificación de las modificaciones de la cromatina y los patrones de interacción como son la técnica de inmunoprecipitación de la cromatina (ChIP) seguida de PCR convencional o qRT-PCR que revelan el enriquecimiento de modificaciones específicas de las histonas en la región específica del DNA en estudio, han dado paso a otras técnicas más amplias y diversas:
- BisChIP-seq que permite el estudio para perfiles globales con cobertura de todo el genoma de 5 mC en áreas CpG densas y regiones repetidas.
- SCAN (Single Chromatin molecule Analysis in Nanochannels) que permite la colocalización y la evaluación fluorescente de alto rendimiento de estados epigenómicos combinatorios de modificaciones de histonas y metilación del ADN en nucleosomas individuales.
- Cristalografía de rayos X de macromoléculas, PET y MRI: que consisten en métodos avanzados para la caracterización de la organización tridimensional de la cromatina y los fenómenos epigenéticos a nivel atómico.
- Hi-C: esta técnica es capaz no sólo de capturar la estructura 3D de la cromatina sino también de generar mapas de contacto de alta resolución sobre el genoma a gran escala.
- Metil-Hi-C que permite capturar simultáneamente la conformación cromosómica y el metiloma del ADN a nivel de una sola célula y permite la caracterización simultánea de la organización de la cromatina específica del tipo celular y del epigenoma en tejidos complejos.
El campo de la epigenética con respecto a las modificaciones de las histonas se ha expandido significativamente en los últimos años y las tecnologías avanzadas en esta área permitirán una mejor comprensión de sus interacciones funcionales con las modificaciones de las histonas circundantes y la maquinaria transcripcional, así como sus funciones en Biología.
RNAs no codificantes (ncRNAs)
Los RNA no codificantes (ncRNAs) con función regulatoria incluyen tanto a los de pequeño tamaño (small RNA) <200nt: microRNA (miRNA), small interfering RNA (siRNA), piwi-interacting RNA (piRNA) como a los de mayor tamaño >200nt long ncRNA (lncRNA).
Tanto los miRNA como los siRNA median en el silenciamiento postranscripcional a través del tRNA. La desregulación de los patrones de expresión de los miRNAs se correlaciona con el inicio y el desarrollo del cáncer. Se sabe que los piRNA se asocian con proteínas PIWI y forma complejos silenciadores inducidos por piRNA durante el desarrollo de la línea germinal.
Los métodos para el estudio de perfiles de small RNAs están bien establecidos e incluyen qRT-PCR, microarrays y secuenciación de RNA. Los análisis funcionales de los small ncRNAs y sus dianas avanzarán en paralelo con el desarrollo de herramientas que utilicen predictores in silico y análisis de redes.
A diferencia de los small RNAs que normalmente median en los procesos de silenciamento del RNA, los lncRNAs exhiben una amplia variedad de mecanismos a través de la interacción con proteínas de unión al RNA (RBP) en regiones específicas del DNA. Al tener una cola poli(A), los lncRNA se pueden estudiar por qRT-PCR utilizando primers poli(T). Sin embargo, para profundizar en su conocimiento se han diseñado otras técnicas para adaptarse a diferentes propósitos:
- ChipR (Chomatin isolation by RNA purification), CHART (Capture Hybridization on Analysis of RNA Targets) y RAP (RNA antisense purification) se han desarrollado para investigar los sitios de unión de los lncRNA a lo largo de la cromatina de todo el genoma.
- Las técnicas de RNA seguidas de cromatografía líquida y espectrometría de masas se pueden utilizar para para identificar el proteoma de interacción de un lncRNA concreto.
Combinados con estas metodologías que generan un gran conjunto de datos de todo el genoma y las aplicaciones bioinformáticas se podrá avanzar en la caracterización y predicción de la función de los lncRNAs.
Aunque las funciones de la mayoría de los ncRNA no están bien definidas, la investigación ha logrado avances extraordinarios en esta apasionante área, demostrando funciones reguladoras clave en la configuración de la actividad celular y su potencial como nuevos biomarcadores para la detección de patologías y aplicaciones terapéuticas.
Interpretación de datos
Las tecnologías biológicas descritas en los apartados anteriores generan una enorme cantidad de información. Por lo tanto, los avances paralelos en el desarrollo de nuevas pipelines bioinformáticas así como la adaptación de la inteligencia artificial y las técnicas de machine learning son fundamentales para manejar el conjunto de datos e interpretar funciones epigenómicas, así como para integrar los datos multiómicos derivados de análisis de integraciones combinatorias.
Áreas de aplicación de los avances epigenéticos
Con el rápido desarrollo de los avances en el campo de la Epigenética y la aplicación de las numerosas y novedosas tecnologías se podrá continuar investigando en problemas no resueltos en las siguientes áreas: .
1
Identificación de biomarcadores epigenéticos para mejorar el diagnóstico de enfermedades
Cáncer
El análisis epigenético puede ayudar en la detección temprana, pronóstico y selección de tratamientos en varios tipos de cáncer (colorrectal, de mama, de próstata, ginecológico, de hígado, óseo, sarcomas de tejido blando, pancreático, de cerebro, etc.). La metilación del DNA y otros cambios epigenéticos pueden servir como biomarcadores para la identificación de cánceres específicos y predecir su progresión. Además, la aplicación de estos estudios en muestras de biopsia líquida podría facilitar la toma de muestras y extender los análisis a un mayor número de casos y ofrecer un seguimiento más frecuente y exhaustivo.
Se está investigando el papel de la epigenética en enfermedades como el Alzheimer, el Parkinson y otras enfermedades neurodegenerativas. En el caso del Alzheimer se ha descrito una hipometilación global en el DNA de las neuronas de la corteza cerebral, mientras que en el Parkinson se han encontrado diferencias en la metilación de ambos hemisferios cerebrales. Los avances a nivel epigenético pueden ayudar a entender mejor la progresión de estas enfermedades y desarrollar nuevas estrategias terapéuticas.
Trastornos neurológicos y enfermedades neurodegenerativas
Enfermedades cardiovasculares
Las modificaciones epigenéticas están relacionadas con el riesgo y progresión de enfermedades cardiovasculares como la aterosclerosis y la hipertensión. La investigación a nivel epigenético puede ayudar a identificar futuros biomarcadores que permitan detectar a los pacientes con riesgo cardiovascular y a poder diseñar terapias de prevención personalizadas.
La Epigenética desempeña un papel fundamental en los trastornos metabólicos como la obesidad y la diabetes. Los estudios en este campo pueden ayudar a comprender mejor la contribución de factores epigenéticos en la patogénesis de estas enfermedades, desarrollar estrategias de prevención y tratamiento con una intervención nutricional personalizada.
Trastornos metabólicos
Enfermedades autoinmunes
Se ha demostrado que los cambios epigenéticos están implicados en enfermedades autoinmunes como el lupus, la artritis reumatoide y la esclerosis múltiple ya que los mecanismos epigenéticos regulan la activación de la respuesta inmune innata y adaptativa. Existe una fuerte asociación entre la función inmunológica desregulada y la aparición de mecanismos epigenéticos aberrantes. Los avances epigenéticos podrán tener un gran impacto en la generación de conocimiento que ayude a explicar el riesgo y la progresión de estas enfermedades y que permitan implementar estrategias para diferenciar subtipos de enfermedades autoinmunes y desarrollar terapias dirigidas más efectivas.
Como el síndrome de Coffin-Lowry y el Síndrome de Rubinstein-Taybi. En ambos casos se han encontrado firmas MPT alteradas. El estudio de estas epifirmas servirá de base para la implementación de nuevas herramientas de diagnóstico multiómico para estas enfermedades y, a más largo plazo, para un diseño terapéutico personalizado.
Enfermedades raras de origen epigenético debidas a anomalías en genes que están involucrados en mecanismos epigenético
2
Selección del tratamiento
Guiar la selección de tratamientos individualizados basados en los perfiles epigenéticos del paciente, lo que podrá mejorar la eficacia y reducir los efectos secundarios.
3
Medicina de precisión
Facilitar la medicina de precisión al identificar subtipos de enfermedades basados en perfiles epigenéticos, lo que permitirá tratamientos más específicos y efectivos.
4
Monitorización de terapias
Seguimiento de la eficacia de las terapias mediante la evaluación de cambios epigenéticos durante el curso del tratamiento.
5
Estudios de epidemiología epigenética
Facilitarán la detección de factores ambientales y estilos de vida que producen alteraciones epigenéticas y el papel que pueden tener tanto en la susceptibilidad y prevención, así como en el inicio y tratamiento de estas enfermedades.
6
Estudios del proceso de envejecimiento
La alteración de los mecanismos epigenéticos tiene un papel relevante en el envejecimiento ya que actúan como el motor de este proceso. La restauración de estas alteraciones como por ejemplo la restauración de la organización epigenética de la cromatina y el rejuvenecimiento de células y tejidos podría revertir los signos del envejecimiento lo que podría abrir nuevas vías de investigación para el desarrollo de terapias de enfermedades asociadas a la edad.
7
Estudios de reproducción asistida
La Epigenética desempeña un papel crucial en la regulación de la fertilidad femenina (función ovárica, ovulación y calidad de los óvulos para ser fertilizados y desarrollarse en embriones sanos) y la fertilidad masculina (calidad y funcionalidad de los espermatozoides y su capacidad de fecundación). Los avances en esta área van a tener una influencia en los tratamientos de reproducción asistida al poder identificar embriones con patrones epigenéticos más favorables y por lo tanto con mayor probabilidad de éxito, mejorando así las tasas de implantación y reduciendo las posibilidades de aborto espontáneo.
En resumen, los avances en los estudios epigenéticos tienen el potencial de revolucionar la Medicina al proporcionar una comprensión más profunda de las enfermedades y guiar el desarrollo de terapias más efectivas y personalizadas en muchos de sus campos.
Bibliografía:
- Li Y. Modern epigenetics methods in biological research. Methods. 2021 Mar;187:104-113. doi: 10.1016/j.ymeth.2020.06.022. Epub 2020 Jul 6. PMID: 32645449; PMCID: PMC7785612.
- Zhang L, Lu Q, Chang C. Epigenetics in Health and Disease. Adv Exp Med Biol. 2020;1253:3-55. doi: 10.1007/978-981-15-3449-2_1. PMID: 32445090.
- José Luis García-Giménez, Toshikazu Ushijima, Trygve O. Tollefsbol, Chapter 1 – Epigenetic Biomarkers: New Findings, Perspectives, and Future Directions in Diagnostics, Editor(s): José Luis García-Giménez, Epigenetic Biomarkers and Diagnostics, Academic Press, 2016, Pages 1-18, ISBN 9780128018996, https://doi.org/10.1016/B978-0-12-801899-6.00001-2.
- García-Giménez, José & Beltrán-García, Jesús & Osca-Verdegal, Rebeca & Pallardó, Federico & Ushijima, Toshikazu & Tollefsbol, Trygve. (2022). Perspectives and future directions of translational epigenetics in personalized and precision medicine. 10.1016/B978-0-12-823008-4.00014-7.
