La información genética de un organismo está codificada en el ADN de los cromosomas del organismo, pero hay otras influencias en juego. La Secuencias de ADN que componen un gen pueden no estar activos o pueden estar bloqueados. Las características de un organismo están determinadas por sus genes, pero si los genes están creando realmente la característica codificada se llama la expresion genica.
Muchos factores pueden influir en la expresión génica, determinando si el gen produce su característica en absoluto o, a veces, solo débilmente. Cuando la expresión génica está influenciada por hormonas o enzimas, el proceso se denomina regulación génica.
Epigenética estudia la biología molecular de la regulación génica y la otra influencias epigenéticas sobre la expresión génica. Básicamente, cualquier influencia que modifique el efecto de las secuencias de ADN sin cambiar el código de ADN es un tema de epigenética.
Epigenética: definición y descripción general
Epigenética es el proceso a través del cual las instrucciones genéticas contenidas en el
ADN de los organismos están influenciados por factores no genéticos. El método principal para los procesos epigenéticos es el control de la expresión génica. Algunos mecanismos de control son temporales, pero otros son más permanentes y pueden heredarse a través de herencia epigenética.Un gen se expresa haciendo una copia de sí mismo y enviando la copia a la célula para producir la proteína codificada en sus secuencias de ADN. La proteína, sola o en combinación con otras proteínas, produce una característica específica del organismo. Si el gen no puede producir la proteína, la característica del organismo no aparecerá.
La epigenética analiza cómo se puede bloquear el gen para que no produzca su proteína y cómo se puede volver a activar si se bloquea. Entre los muchos mecanismos epigenéticos que pueden influir en la expresión génica son los siguientes:
- Desactivando el gen.
- Detener el gen de haciendo una copia.
- Detener el gen copiado de produciendo la proteína.
- Bloqueando el función de la proteína.
- Romper la proteína antes de que pueda funcionar.
La epigenética estudia cómo se expresan los genes, qué influye en su expresión y los mecanismos que controlan los genes. Observa la capa de influencia sobre la capa genética y cómo esta capa determina cambios epigenéticos en cómo se ve un organismo y cómo se comporta.
Cómo funciona la modificación epigenética
Aunque todas las células de un organismo tienen el mismo genoma, las células asumen diferentes funciones según la forma en que regulan sus genes. A nivel de organismo, los organismos pueden tener el mismo código genético, pero se ven y se comportan de manera diferente. En el caso de los humanos, por ejemplo, los gemelos idénticos tienen el mismo genoma humano, pero se verán y se comportarán de manera ligeramente diferente, según alteraciones epigenéticas.
Dichos efectos epigenéticos pueden variar según muchos factores internos y externos, incluidos los siguientes:
- Hormonas
- Factores de crecimiento
- Neurotransmisores
- Factores de transcripción
- Estímulos químicos
- Estímulo ambiental
Cada uno de estos pueden ser factores epigenéticos que promueven o alteran la expresión génica en las células. Semejante control epigenético es otra forma de regular la expresión genética sin cambiar el código genético subyacente.
En cada caso, se cambia la expresión génica general. Los factores internos y externos son necesarios para la expresión génica o pueden bloquear una de las etapas. Si falta un factor necesario, como una enzima necesaria para la producción de proteínas, la proteína no se puede producir.
Si está presente un factor de bloqueo, la etapa de expresión génica correspondiente no puede funcionar y la expresión del gen relevante se bloquea. La epigenética significa que un rasgo que está codificado en las secuencias de ADN de un gen puede no aparecer en el organismo.
Limitaciones epigenéticas al acceso al ADN
El genoma está codificado en moléculas delgadas y largas de secuencias de ADN que deben enrollarse firmemente en una estructura de cromatina complicada para encajar en núcleos de células diminutas.
Para expresar un gen, el ADN se copia a través de un mecanismo de transcripción. La parte de un Doble hélice de ADN que contiene el gen que se va a expresar se desenrolla ligeramente y una molécula de ARN hace una copia de las secuencias de ADN que componen el gen.
Las moléculas de ADN se enrollan alrededor de proteínas especiales llamadas histonas. Las histonas se pueden cambiar para que el ADN se enrolle con mayor o menor fuerza.
Semejante modificaciones de histonas puede provocar que las moléculas de ADN se enrollen con tanta fuerza que el mecanismo de transcripción, compuesto por enzimas especiales y aminoácidos, no pueda llegar al gen que se va a copiar. Limitar el acceso a un gen mediante la modificación de histonas da como resultado el control epigenético del gen.
Modificaciones adicionales de histonas epigenéticas
Además de limitar el acceso a los genes, las proteínas histonas pueden modificarse para unirse más o menos estrechamente a las moléculas de ADN enrolladas a su alrededor en el cromatina estructura. Tales modificaciones de histonas afectan el mecanismo de transcripción cuya función es hacer una copia de ARN de los genes que se van a expresar.
Las modificaciones de histonas que afectan la expresión génica de esta manera incluyen las siguientes:
- Metilación - agrega un grupo metilo a las histonas, aumentando la unión al ADN y reduciendo la expresión génica.
- Fosforilación - añade grupos fosfato a las histonas. El efecto sobre la expresión génica depende de la interacción con la metilación y la acetilación.
- Acetilación - La acetilación de histonas reduce la unión y regula al alza la expresión génica. Los grupos acetilo se añaden con histonas acetiltransferasas (HAT).
- Desacetilación - elimina los grupos acetilo, aumenta la unión y reduce la expresión génica con histona desacetilasa.
Cuando se cambian las histonas para aumentar la unión, el código genético de un gen específico no se puede transcribir y el gen no se expresa. Cuando se reduce la unión, se pueden hacer más copias genéticas o se pueden hacer más fácilmente. Entonces, el gen específico se expresa y se produce cada vez más de su proteína codificada.
El ARN puede interferir con la expresión genética
Después de que las secuencias de ADN de un gen se copian en un Secuencia de ARN, la Molécula de ARN deja el núcleo. La proteína codificada en la secuencia genética puede ser producida por pequeñas fábricas de células llamadas ribosomas.
La cadena de operaciones es la siguiente:
- Transcripción de ADN a ARN
- La molécula de ARN sale del núcleo.
- El ARN encuentra ribosomas en la célula
- Traducción de secuencias de ARN a cadenas de proteínas
- Producción de proteínas
Las dos funciones clave de una molécula de ARN son la transcripción y la traducción. Además del ARN utilizado para copiar y transferir las secuencias de ADN, las células pueden producir ARN de interferencia o ARNi. Estas son hebras cortas de secuencias de ARN llamadas ARN no codificante porque no tienen secuencias que codifiquen genes.
Su función es interferir con la transcripción y traducción, reduciendo la expresión génica. De esta forma, el ARNi tiene un efecto epigenético.
La metilación del ADN es un factor importante en la expresión génica
Durante la metilación del ADN, unas enzimas llamadas ADN metiltransferasas unir grupos metilo a moléculas de ADN. Para activar un gen e iniciar el proceso de transcripción, una proteína debe unirse a la molécula de ADN cerca del inicio. Los grupos metilo se colocan en los lugares donde normalmente se uniría una proteína de transcripción, bloqueando así la función de transcripción.
Cuando las células se dividen, las secuencias de ADN del genoma de la célula se copian en un proceso llamado Replicación de ADN. El mismo proceso se utiliza para crear esperma y óvulos en organismos superiores.
Muchos de los factores que regulan la expresión génica se pierden cuando se copia el ADN, pero muchos de los patrones de metilación del ADN se replican en las moléculas de ADN copiadas. Esto significa que la regulación de la expresión génica causada por La metilación del ADN se puede heredar a pesar de que las secuencias de ADN subyacentes permanecen sin cambios.
Debido a que la metilación del ADN responde a factores epigenéticos como el medio ambiente, la dieta, los productos químicos, el estrés, la contaminación, opciones de estilo de vida y radiación, las reacciones epigenéticas de la exposición a dichos factores pueden heredarse a través del ADN metilación. Esto significa que, además de las influencias genealógicas, un individuo es moldeado por el comportamiento de los padres y los factores ambientales a los que estuvo expuesto.
Ejemplos de epigenética: enfermedades
Las células tienen genes que promueven división celular así como genes que inhiben el crecimiento celular rápido e incontrolado, como en los tumores. Los genes que causan el crecimiento de tumores se denominan oncogenes y los que previenen los tumores se llaman genes supresores de tumores.
Los cánceres humanos pueden ser causados por el aumento de la expresión de oncogenes junto con la expresión bloqueada de genes supresores de tumores. Si se hereda el patrón de metilación del ADN correspondiente a la expresión de este gen, la descendencia puede tener una mayor susceptibilidad al cáncer.
En el caso de cáncer colonrectal, un patrón de metilación del ADN defectuoso puede transmitirse de padres a hijos. Según un estudio de 1983 y un artículo de A. Feinberg y B. Vogelstein, el patrón de metilación del ADN de los pacientes con cáncer colorrectal mostró un aumento de la metilación y el bloqueo de los genes supresores de tumores con una disminución de la metilación de los oncogenes.
La epigenética también se puede utilizar para ayudar tratar enfermedades genéticas. En el síndrome de X frágil, falta un gen del cromosoma X que produce una proteína reguladora clave. La ausencia de la proteína significa que la proteína BRD4, que inhibe el desarrollo intelectual, se produce en exceso de forma descontrolada. Se pueden usar fármacos que inhiben la expresión de BRD4 para tratar la enfermedad.
Ejemplos de epigenética: comportamiento
La epigenética tiene una gran influencia en la enfermedad, pero también puede afectar a otros rasgos del organismo, como el comportamiento.
En un estudio de 1988 en la Universidad McGill, Michael Meany observó que las ratas cuyas madres las cuidaban lamiendo y prestándoles atención se convertían en adultos tranquilos. Las ratas cuyas madres los ignoraron se convirtieron en adultos ansiosos. Un análisis del tejido cerebral mostró que el comportamiento de las madres provocó cambios en el metilación de células cerebrales en las crías de rata. Las diferencias en la descendencia de ratas fueron el resultado de efectos epigenéticos.
Otros estudios han analizado el efecto de la hambruna. Cuando las madres estuvieron expuestas a la hambruna durante el embarazo, como fue el caso en Holanda en 1944 y 1945, su los niños tenían una mayor incidencia de obesidad y enfermedad coronaria en comparación con las madres no expuestas a hambruna. Los mayores riesgos se atribuyeron a la reducción de la metilación del ADN de un gen que produce un factor de crecimiento similar a la insulina. Semejante efectos epigenéticos se puede heredar a lo largo de varias generaciones.
Los efectos del comportamiento que pueden transmitirse de padres a hijos y en adelante pueden incluir los siguientes:
- La dieta de los padres puede influir en la salud mental de los hijos.
- La exposición ambiental a la contaminación de los padres puede afectar el asma infantil.
- El historial de nutrición de la madre puede afectar el tamaño al nacer del bebé.
- El consumo excesivo de alcohol por parte del progenitor masculino puede provocar agresión en la descendencia.
- La exposición de los padres a la cocaína puede afectar la memoria.
Estos efectos son el resultado de cambios en la metilación del ADN transmitidos a la descendencia, pero si estos factores pueden cambiar la metilación del ADN en los padres, los factores que experimentan los niños pueden cambiar su propio ADN metilación. A diferencia del código genético, la metilación del ADN en los niños puede modificarse por el comportamiento y la exposición ambiental en la edad adulta.
Cuando la metilación del ADN se ve afectada por el comportamiento, las marcas de metilo en el ADN donde los grupos metilo pueden unirse pueden cambiar e influir en la expresión génica de esa manera. Aunque muchos de los estudios que tratan de la expresión génica datan de hace muchos años, solo recientemente los resultados se han relacionado con una volumen creciente de investigación epigenética. Esta investigación muestra que el papel de la epigenética puede tener una influencia tan poderosa en los organismos como el código genético subyacente.