Impresión xenética

A impresión xenética (genetic imprinting) ou impronta xenética, tamén chamada impresión xenómica, é un fenómeno xenético que consiste en que certos xenes se expresan dun modo que depende da procedencia materna ou paterna de dito xene. Os seres diploides con reprodución sexual teñen dúas copias de cada xene, unha procedente da nai e outra do pai, e na impresión xenética a expresión do xene depende desa procedencia. É un fenómeno independente da herdanza mendeliana clásica. Os alelos "impresos" son silenciados de modo que, segundo os casos, ou ben se expresen só os alelos non impresos de procedencia materna (por exemplo, o xene H19 ou o CDKN1C), ou só os non impresos de procedencia paterna (por exemplo, o xene IGF-2). Atópanse formas de impresión xenética en mamíferos (home incluído), insectos e plantas con flor.
A impresión xenética é un proceso epixenético que implica a metilación e modificación das histonas para conseguir a expresión monoalélica dun xene sen alterar a súa secuencia xenética. Estas marcas epixenéticas establécense na liña xerminal e son mantidas en todas as células do organismo. Como non se marca ou "imprime" igual o xene no espermatozoide que no óvulo, vai haber diferenza na expresión deses xenes.
Para un desenvolvemento correcto do organismo é importante que os xenes impresos se expresen correctamente, xa que en caso de haber certos trastornos xenéticos que afecten a esta expresión aparecen diversas enfermidades xenéticas asociadas como a síndrome de Beckwith-Wiedemann, sindrome de Silver-Russell, síndrome de Angelman ou síndrome de Prader-Willi. Introdución
Nos organismos diploides, as células somáticas posúen dúas copias de todo o xenoma (agás os xenes ligados ao sexo nos individuos XY). Cada xene autosómico está presente en dúas copias ou alelos, unha das cales foi herdada da nai (a través do óvulo) e outra do pai (a través do espermatozoide) durante a fecundación. Para a gran maioría dos xenes autosómicos, ambos os alelos exprésanse simultaneamente. Nos mamíferos, unha pequena proporción (<1%) dos xenes están "impresos", o que significa que só se expresa un dos alelos. O alelo que se expresará dependerá de cal sexa a súa orixe parental. Por exemplo, o xene que codifica o factor de crecemento 2 similar á insulina (IGF2/Igf2) só se expresa no alelo herdado do pai.
O termo "imprinting" (impresión) foi usado con este significado primeiro para describir a expresión xenética no insecto Nipaecoccus nipae. Nos insectos da familia Pseudococcidae (Homoptera, Coccoidea) tanto o macho coma a femia se desenvolven a partir de ovos fertilizados. Nas femias todos os cromosomas permanecen eucromáticos e funcionais. Nos embrións destinados a ser machos, un conxunto haploide de cromosomas faise heterocromático despois da sexta división do embrión e permanece así na maioría dos tecidos, polo que os machos son funcionalmente haploides. Nos insectos, a impresión xenómica describe o silenciamento do xenoma parental nos machos, e está implicado na determinación sexual. Nos mamíferos, a impresión xenómica describe o proceso implicado na introdución de desigualdades funcionais entre os dous alelos parentais dun xene. Xenes impresos en mamíferos
Que a impresión xenética podería ser unha característica que se dá no desenvolvemento dos mamíferos foi deducido de experimentos de cruzamento de ratos que levaban translocacións cromosómicas recíprocas. Experimentos de transplante de núcleos en cigotos de ratos realizados na década de 1980 confirmaron que o desenvolvemento normal require a contribución dos xenomas maternos e paternos. A gran maioría dos ratos partenoxenóns/xinoxenóns (con dous xenomas maternos ou do óvulo) e androxenóns (con dous xenomas paternos ou do espermatozoide) morrían antes ou na fase de blastocisto/implantación. Nos raros casos en que se desenvolvían ata as fases de postimplantación, os embrións xinoxenéticos tiñan un mellor desenvolvemento embrionario en relación co desenvolvemento da placenta, e cos androxenóns ocorría o contrario e só se puideron describir uns poucos.
Os embrións partenoxenéticos/xinoxenéticos teñen o dobre do nivel de expresión normal de xenes procedentes da nai, e carecen da expresión dos xenes paternos, e ocorre o contrario cos embrións androxenéticos. Sábese agora que hai polo menos 80 xenes impresos nos humanos e ratos, moitos dos cales están implicados no crecemento embrionario e placentario e no desenvolvemento. Utilizáronse varios métodos para identificar os xenes impresos. Nos porcos, Bischoff et al. 2009 compararon os perfís transcricionais utilizando chips de oligonucleótidos curtos (Affymetrix Porcine GeneChip) para examinar os xenes que se expresaban diferencialmente entre os partenotas (2 xenomas maternos) e os fetos de control (1 xenoma materno, 1 xenoma paterno) Un intrigante estudo que examinou o transcritoma dos tecidos cerebrais murinos pola tecnoloxía de secuenciación de ARN Illumina (RNA-Seq), revelou que se orixinaban por cruzamento recíproco a partir de híbridos da xeración F1 uns 1300 loci de xenes impresos (aproximadamente 10 veces máis dos que se informara previamente). Porén, este resultado foi posto en dúbida por outros que consideraban que isto era unha sobreestimación nunha orde de magnitude debida a análises estatísticos incorrectos.
Nos mamíferos non existen casos naturais de partenoxénese a causa da existencia dos xenes impresos. A manipulación experimental da impresión da metiación paterna para controlar o xene Igf2 permitiu recentemente a creación de raros exemplares de rato con dous conxuntos maternos de cromosomas, aínda que isto non é un verdadeiro caso de partenoxenón. A descendencia híbrida de dúas especies pode mostrar un crecemento pouco común debido a unha combinación de xenes impresos, como é o caso dos ligres (híbridos de león e tigresa).
Mapeado xenético de xenes impresos
Ao mesmo tempo que se xeraban os embrións xinoxenéticos e androxenéticos que se discutiron antes, xeráronse tamén embrións de ratos que contiñan só pequenas rexións que derivaban ou ben do xenoma materno ou ben do paterno. A xeración dunha serie de tales organismos uniparentais, que entre todos abranguían todo o xenoma, permitiu a elaboración dun mapa dos xenes impresos. Conteñen xenes impresos aquelas rexións que ao herdárense dun só proxenitor dan lugar a un fenotipo discernible. Posteriores investigacións mostraron que dentro destas rexións había frecuentemente numerosos xenes impresos. Arredor do 80% dos xenes impresos atópanse en clústeres como os destas rexións, chamados dominios impresos, o que suxire un nivel de control coordinado. Máis recentemente, os exames de todo o xenoma para identificar xenes impresos utilizaron a expresión diferencial de ARNms de fetos control e de fetos partenoxenéticos ou androxenéticos aplicando diversas técnicas.
Mecanismos
A impresión de xenes é un mecanismo dinámico. É posible borrar e restablecer a impresión en cada xeración. A natureza da impresión debe, por tanto, ser epixenética (modificacións na estrutura da cromatina e non da secuencia do ADN). Nas células da liña xerminal a impresión bórrase e reestablécese de acordo co sexo do individuo; é dicir, nos espermatozoides en desenvolvemento (durante a espermatoxénese), establécese a impresión paterna, e durante o desenvolvemento dos óvulos (ovoxénese), establécese a impresión materna. Este proceso de borrado e reprogramación é necesario para que os xenes teñan a impresión axeitada para o sexo do individuo. Tanto en plantas coma en mamíferos hai dous mecanismos principais que están implicados no establecemento da impresión, que son a metilación do ADN e a modificación das histonas.
Regulación
A agrupación de xenes impresos en clústeres permite que compartan elementos regulatorios comúns, como ARNs non codificantes e rexións metiladas diferencialmente. Cando estes elementos regulatorios controlan a impresión dun ou máis xenes, coñécense como rexións de control da impresión. A expresión de ARN non codificante, como Air no cromosoma 17 do rato e KCNQ1OT1 no cromosoma 11 humano (rexión 11p15. 5), son esenciais para a impresión de xenes nas súas correspondentes rexións.
As rexións metiladas diferencialmente son xeralmente segmentos de ADN ricos nos nucleótidos citosina e guanina, que teñen as citosinas metiladas nunha das copias pero non nas dúas. Ao contrario do que se agardaba, a metilación non significa necesariamente silenciamento, senón que o efecto da metilación depende do estado "por defecto" que teña a rexión.
Funcións dos xenes impresos
O control da expresión de xenes específicos por impresión xenómica é exclusiva dos mamíferos terios (mamíferos placentarios e marsupiais) e das plantas con flor. A impresión de cromosomas enteiros foi observada en insectos dos xéneros Pseudococcus e Sciara. Tamén está establecido que a inactivación do cromosoma X ocorre polo mecanismo da impresión nos tecidos extraembrionarios do rato e en todos os tecidos dos marsupiais, nos que é sempre o cromosoma X paterno o que é silenciado.
A maioría dos xenes impresos dos mamíferos exercen funcións no control do crecemento embrionario e desenvolvemento, incluíndo o desenvolvemento da placenta. Outros xenes impresos están implicados no desenvolvemento postnatal, e teñen funcións que afectan ao aleitamento das crías e ao metabolismo.
Teorías sobre a orixe da impresión xenética
Unha hipótese amplamente aceptada sobre a evolución da impresión xenética é a "hipótese do conflito parental" Tamén coñecida como teoría do parentesco da impresión xenómica, esta hipótese afirma que a desigualdade entre os xenomas parentais debido á impresión é resultado dos diferentes intereses de cada proxenitor en termos de eficacia biolóxica (fitness) dos seus xenes. Os xenes do pai que codifican para a impresión gañan máis fitness co éxito da descendencia, a expensas da nai. O imperativo evolutivo da nai é a miúdo conservar recursos para a súa propia supervivencia mentres lles proporciona suficiente nutrición ás actuais e futuras crías. De acordo con isto, os xenes expresados paternalmente tenden a promover o crecemento entanto que os xenes expresados maternalmente tenden a limitar o crecemento. En apoio desta hipótese, a impresión xenómica atopouse en todos os mamíferos placentarios, onde o consumo de recursos da descendencia despois da fecundación a expensas da nai é alta; aínda que tamén se encontrou en aves (ovíparas) onde hai unha relativamente pequena transferencia de recursos despois da fecundación e, por tanto, menos conflito parental.
Porén, a nosa comprensión dos mecanismos moleculares que hai detrás da impresión xenómica indican que é o xenoma materno o que controla a maior parte da impresión tanto de xenes do cigoto procedentes do pai coma da nai, o que fai difícil explicar por que os xenes maternos deberían ceder a súa dominancia aos procedentes do pai á luz da hipótese do conflito. Propuxéronse outras hipóteses que propoñen unha razón coadaptativa para a evolución da impresión xenómica.
Outros enfocan o estudo das orixes da impresión xenómica desde outro punto de vista, e sinalan que a selección natural opera sobre o papel das marcas epixenéticas como mecanismo para o recoñecemento dos cromosomas homólogos durante a meiose, en vez de sobre o seu papel na expresión diferencial. Este argumento céntrase na existencia de efectos sobre os cromosomas que non afectan directamente a expresión xénica, pero depende de cal é o proxenitor no que se orixinou o cromosoma. Este grupo de cambios epixenéticos que dependen dos cromosomas do proxenitor de orixe (incluíndo tanto aqueles que afectan á expresión xénica coma os que non) denomínanse efectos de orixe parental, e inclúen fenómenos como a inactivación do cromosomna X paterno nos marsupiais, a distribución das cromátides non aleatoria nos fentos, e mesmo os cambios no tipo de apareamento nos lévedos. Esta diversidade nos organismos que mostran efectos de orixe parental animou a algúns investigadores a situar a orixe evolutiva da impresión xenómica antes do último antepasado común de plantas e animais, hai mil millóns de anos.
A selección natural da impresión xenómica require que haxa variabilidade xenética na poboación. Unha hipótese sobre a orixe desta variación xenética sinala que o sistema de defensa do hóspede responsable do silenciamento de elementos de ADN de orixe allea, como os xenes de orixe viral, silenciou por erro certos xenes, e isto acabou sendo beneficioso para o organismo. Parece haber unha sobrerrepresentación de xenes retrotransposados, é dicir, xenes que son inseridos no xenoma por virus, situados entre xenes impresos. Tamén se postulou que se o xene retrotransposado se insire preto doutro xene impreso, pode adquirir esta impresión.
Problemas asociados coa impresión xenética
A impresión pode causar problemas na clonación, xa que os clons poden ter ADN que non está metilado na posición correcta. É posible que isto se deba á falta de tempo para que a reprogramación remate completamente. Cando se engade un núcleo a un óvulo durante a transferencia nuclear de células somáticas, o óvulo empeza a dividirse en cuestión de minutos, en vez dos días ou meses que pode durar a reprogramación durante o desenvolvemento embrionario. Se o tempo é o factor responsable, é posible atrasar a división celular dos clons, dándolles máis tempo para que teña lugar unha axeitada reprogramación.
Un alelo para o carácter "calipixio" (en grego "cus bonitos") ou CLPG, é un xene que nas ovellas produce grandes nádegas formadas por músculo con moi pouca graxa. O fenotipo de grandes nádegas só aparece cando o alelo está presente no cromosoma 18 herdado do pai e á vez non está no cromosoma 18 homólogo herdado da nai. Exemplos
Síndrome de Prader-Willi/Angelman
Os primeiros trastornos xenéticos nos que estaban implicados xenes impresos que se describiron en humanos foron a síndrome de Prader-Willi e a síndrome de Angelman, que se herdan reciprocamente. Ambas as síndromes están asociadas coa perda (deleción) da rexión cromosómica 15q11-13 (banda 11 do brazo longo do cromosoma 15). Esta rexión contén os xenes de expresión paterna (SNRPN e NDN) e o xene de expresión materna (UBE3A). A herdanza paterna dunha deleción desta rexión está asociada coa síndrome de Prader-Willi, caracterizada por hipotonia, obesidade, e hipogonadismo.
A herdanza materna da mesma deleción está asociada coa síndrome de Angelman, caracterizada por epilepsia, tremores, e unha expresión facial perpetua de sorriso.
NOEY2
O NOEY2 é un xene impreso de expresión paterna localizado no cromosoma 1 humano. A perda da expresión deste xene está ligada a un incremento do risco de padecer cáncer ovárico ou de mama; no 41% destes dous tipos de cánceres a proteína codificada por NOEY2 non se expresa, o que suxire que funciona como un xene supresor de tumores.
Outros
Outras condicións nas que están implicados xenes impresos son a síndrome de Beckwith-Wiedemann, a síndrome de Silver-Russell, e o pseudohipoparatiroidismo.
A diabetes mellitus neonatal transitoria pode tamén implicar impresión xenética.
A "teoría do cerebro impreso" argumenta que unha impresión desequilibrada pode ser a causa dof autismo e a psicose. Xenes impresos en plantas
Un fenómeno similar de impresión xenética observouse nas plantas con flor (anxiospermas). Na reprodución das anxiospermas ten lugar unha dobre fecundación. No pistilo da flor, á vez que se produce a fecundación da ovocélula (o que dará lugar ao embrión da planta), ten lugar unha segunda fecundación para orixinar o endosperma, unha estrutura extraembrionaria que nutre ao embrión. A diferenza do que ocorre co embrión, o endosperma formase normalmente pola fusión de dúas células maternas e un gameto masculino (un dos núcleos do pole). Isto orixina un endospermo triploide, xa que se orixinou a partir de tres células haploides. A proporción desequilibrada de xenomas maternos e paternos parece ser crítica para o desenvolvemento das sementes. Observouse que algúns xenes se expresan de ambos os xenomas maternos e outros exprésanse exclusivamente da copia paterna.