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Metilación del ADN en el desarrollo de la resistencia a la insulina

Cambios en los perfiles de metilación del DNA pueden ocurrir durante el envejecimiento y en los estados patológicos, como el cáncer y las enfermedades metabólicasAunque el código genético es idéntico en esencialmente todas las células de un organismo (excepto por los linfocitos), cada tipo individual de célula posee su propio patrón de expresión génica. El fenotipo específico para cada tejido en un estado fisiológico es establecido por la metilación de ácido desoxirribonucleico (DNA, por sus siglas en inglés). La metilación de la posición 5′ de citosina, la cual es la más abundante de las modificaciones de base en el genoma de las células eucariotas, es una modificación epigenética mayor. En los ejemplos más comunes, la metilación del DNA suprime la expresión génica al modular el acceso de la maquinaria de transcripción a la cromatina o reclutando proteínas ligadoras de metilo. A su vez, estas proteínas reclutan proteínas remodeladoras de cromatina que pueden modificar histonas, formando así una cromatina compacta e inactiva.

La metilación del DNA está involucrada en el control de la impronta genómica, la cual es una forma epigenética de regulación de genes, mediante la cual un gen o dominio genómico puede ser bioquímicamente marcado con información sobre su origen potencial. Los cambios en los perfiles de metilación del DNA pueden ocurrir durante el envejecimiento y en los estados patológicos, tales como el cáncer y las enfermedades metabólicas. Los desórdenes metabólicos como la obesidad y la diabetes mellitus tipo 2 (T2D, por sus siglas en inglés) han alcanzado tasas epidémicas en la mayoría de los países desarrollados y en desarrollo, pero pero poco se sabe sobre el papel de la metilación del DNA en la patogénesis de la diabetes. Varias lineas de investigación apoyan un papel para factores no genéticos en el desarrollo de resistencia a la insulina e indican que factores epigenéticos, posiblemente a través de la metilación del DNA, pueden jugar un papel en la patogénesis de la diabetes. Por ejemplo, cultivos de músculo esquelético de pacientes de T2D retuvieron un fenotipo resistente a la insulina después de la división celular. El fenotipo resistente a la insulina observado en cultivos celulares establecidos a partir de sujetos diabéticos fue preservado, como evidencia el deterioro en la actividad de glicógeno (o glucógeno) sintetasa y el transporte de glucosa mediados por insulina. La propiedad de las células cultivadas para conservar el fenotipo diabético in vitro no estuvo asociada con un polimorfismo genético del donador, lo que sugiere que están involucrados factores ambientales.

Adicionalmente, en miocitos primarios humanos, la concentración de ácido ribonucleico mensajero (mRNA, por sus siglas en inglés) del coactivador 1α del receptor activado por proliferador de peroxisoma γ (PGC-1α, por sus siglas en inglés), el cual es un regulador maestro de la función mitocondrial, está negativamente asociado con la concentración plasmática de ácidos grasos libres en el donador. Colectivamente, estos resultados implican fuertemente un papel para las modificaciones epigenéticas a través de la metilación del DNA en la memoria de los deterioros metabólicos.

Metilación del DNA y factores ambientales

La metilación del DNA es mitóticamente estable, y por lo tanto ha existido la presunción de que los factores ambientales eran incapaces de inducir cambios significativos y sostenidos en los patrones de metilación del DNA en los tejidos adultos normales. Sin embargo, estudios en gemelos han mostrado que los perfiles de metilación del DNA eran más divergentes en los gemelos de mayor edad que en los pares de gemelos infantes, lo cual valida la influencia de factores ambientales en el epigenoma con el tiempo.

La metilación de novo en el tejido somático puede ocurrir en células expuestas a toxinas ambientales tales como los metales pesados. El silenciamiento gradual, regido por la metilación, del elemento C de la partícula A intracisternal del retrotransposón que regula el fenotipo agutí ha sido demostrado en la prole de ratones alimentados con dietas que difieren en la cantidad del donador de metilos, ácido fólico. Las toxinas estrogénicas y antiandrogénicas que disminuyen la fertilidad del macho alteran la metilación del DNA, y estos cambios son heredados por generaciones posteriores. Un notable ejemplo de un efecto ambiental en el epigenoma es la modificación de la metilación del receptor glucocorticoide, vista en el hipocampo de crías de rata en respuesta al cuidado materno.

Las modificaciones dietarias pueden tener un efecto profundo en la metilación del DNA y la impronta genómica. Una deficiencia en los donadores de metilo, ácido fólico y metionina, modifica la impronta de metilación del DNA del factor de crecimiento tipo insulina 2 (IGF-2, por sus siglas en inglés). En los mamíferos, la privación de ácido fólico altera los niveles de metilación del DNA en el hígado. Los niveles de metilación son restaurados con la administración de una dieta normal, lo que sugiere que la metilación del DNA es reversible. Desde este descubrimiento, se ha acumulado evidencia para modificaciones dinámicas al DNA en las células somáticas. Originalmente la metilación del DNA era considerada estable e irreversible debido a que la metilación de citosina es una modificación covalente, y no existía evidencia de actividad de desmetilasa. El tratamiento de líneas celulares de cáncer de mama con inhibidores de desacetilasa indujo la metilación del promotor del factor trifolio 1. Ha surgido evidencia adicional de la rápida reversibilidad de la metilación del DNA del promotor génico del factor trifolio 1 mediante activación por estrógenos. Estos hallazgos abrieron una área nueva de investigación relacionada a la influencia de factores ambientales en la regulación de la metilación del DNA en mamíferos. En uno de los reportes iniciales sobre metilación, el butirato, el cual es un ácido graso de cadena corta, indujo la metilación global del DNA. Recientemente se ha reportado que la exposición aguda de los ácidos grasos palmitato u oleato incrementa la metilación del promotor de genes involucrados en la función mitocondrial en células musculares primarias humanas.

Metilación en lugares distintos a las islas CpG

La metilación en mamíferos ha sido descrita principalmente en citosinas que preceden a guanina, en la llamada metilación de islas CpG. Ha sido discutido si la metilación de citosina ocurre exclusivamente en los nucleótidos CpG o en los nucleótidos no CpG. La metilación no CpG, la cual es definida como la metilación de citosina dentro de las secuencias CpC, CpT y CpA, es abundante en las plantas y en las células madre embriónicas de mamíferos.

La metilación no CpG fue descrita por primera vez en los orígenes de replicación mamífera, pero esto fue disputado subsecuentemente. Otros autores proporcionaron evidencia inequívoca de metilación CpA, CpT y CpC en DNA de mamíferos, utilizando la técnica del vecino más cercano (algoritmo de reconocimiento y categorización). Muy recientemente, un mapeo con resolución de base individual en todo el genoma de la metilación del DNA identificó la metilación no CpG en lineas celulares humanas. A diferencia de la metilación CpG convencional, la densidad de metilación no CpG disminuyó hacia el sitio de inicio de transcripción. Previamente se ha proporcionado evidencia de que la metilación no CpG existe en niveles sustanciales en los tejidos de origen humano y es inducida por factores ambientales. Así, la metilación no CpG puede jugar un papel particular en la regulación de la actividad génica por factores ambientales. El entendimiento de la función exacta de la metilación no CpG requiere abundantes investigaciones adicionales.

Metilación del DNA y enfermedades metabólicas

Varias lineas de evidencia apoyan un papel para los procesos epigenéticos en la regulación de las enfermedades metabólicas e indican un fuerte lazo entre los genes y el ambiente. En particular, los cambios en los niveles de metilación del DNA en humanos han sido asociados con alteraciones en la expresión de genes involucrados en la función mitocondrial, incluyendo el polipéptido 1 de la subunidad VIIa de la citocromo c oxidasa (COX7A1), el subcomplejo 6 de la NADH deshidrogenasa (ubiquinona) 1β (NDUFB6) y en PGC-1α (PGC1A). A partir de la pantalla de matriz de inmunoprecipitación de DNA metilado en biopsias de músculo esquelético, se han identificado numerosos genes con un estatus de metilación diferencial en músculo esquelético en individuos con T2D, comparados con voluntarios normales tolerantes a la glucosa, incluyendo subjuegos de genes involucrados en procesos metabólicos primarios y en funciones mitocondriales.

La metilación del DNA juega un papel en la regulación de genes clave involucrados en la regulación de la homeostasia de glucosa. El promotor del gen de la insulina (INS) es desmetilado en las células β pancreáticas productoras de insulina, así como en la diferenciación de células madre embriónicas de ratón en células productoras de insulina. La metilación del promotor Ins2 también deriva en la unión de la proteína 2 ligadora de metil CpG, lo que sugiere también un mecanismo para el silenciado del gen de la insulina. El transportador de glucosa 4 (GLUT4, por sus siglas en inglés), que se transloca a la membrana plasmática en respuesta a la insulina en el tejido adiposo y el músculo esquelético, es un jugador crítico en la hemostasia de glucosa. El promotor de GLUT4 es altamente desmetilado con la diferenciación del adipocito y la metilación de sitios CpG específicos puede inhibir en enlace del factor nuclear al promotor. De forma similar, el promotor del gen del receptor activado por el promotor del peroxisoma γ (PPARγ2, por sus siglas en inglés, que corresponde al gen PPARG2) es progresivamente desmetilado en la diferenciación del adipocito, lo que proporciona evidencia de que la metilación del DNA determina la expresión génica específica del adipocito. En T2D, se ha reportado una disminución en la expresión de GLUT4 en el tejido adiposo, pero no en el tejido esquelético. Se desconoce si la metilación del DNA está implicada en la inhibición de GLUT4 en las enfermedades metabólicas.

El estatus de metilación está alterado en el tejido adiposo de ratones obesos de nacimiento o en obesos inducidos por dieta, de tal forma que se ha observado la hipermetilación del sitio -437 CpG río arriba (upstream, o hacia el extremo 5′ del ácido nucleico) del sitio de inicio de transcripción del gen PPARG2 en tejido adiposo omental (del peritoneo) pero no en el subcutáneo de animales obesos, valorado por análisis de digestión por enzima de restricción. Cuando se criaron ratas en camadas pequeñas, se vuelven obesas debido a la sobrealimentación. También desarrollan hiperglucemia e hiperinsulinemia, junto con hipermetilación del gen de proopiomelanocortina hipotalámica (POMC) en el sitio de unión del factor de transcripción nuclear κB. Esto tiene relevancia fisiológica porque POMC media el efecto anorexigénico inducido por leptina en el sistema nervioso central. En base a la correlación positiva entre la metilación de POMC y la hiperglucemia, se ha evocado un papel directo de la glucosa en la metilación del promotor de POMC. Otros estudios han asociado los factores conductuales con la metilación del DNA en el sistema nervioso central. Por lo tanto, uno no puede excluir la influencia de los factores ambientales en el desarrollo de la metilación del POMC.

El peso bajo al nacer (LBW, por sus siglas en inglés) es asociado con una mayor prevalencia de T2D. Se ha demostrado que la metilación del promotor PGC1A en individuos nacidos con LBW. La sobrealimentación a corta plazo alteró la metilación del promotor PGC1A en individuos apropiadamente comparables pero con peso normal, pero no tuvo un efecto en el grupo LBW. Se han observado diferencias en el grado de metilación CpG y expresión génica de la proteína α ligadora del potenciador CCAAT y en neuronatina, los cuales son 2 genes involucrados en la diferenciación del adipocito y en la secreción de insulina, respectivamente, en niños identificados con LBW que fueron concebidos de manera natural, en comparación con aquellos que fueron concebidos con reproducción asistida. Estos hallazgos sería consistentes con un papel de los factores ambientales en el desarrollo de desórdenes metabólicos. Sin embargo, todavía debe definirse si las alteraciones observadas son debidas a la concepción in vitro o son una marca distintiva de los pacientes que utilizan este procedimiento.

Herencia epigenética y los desórdenes metabólicos

La epigenética se refiere a un estado heredable de expresión génica que no se debe a cambios en la secuencia de DNA. Los estudios tempranos consideraban que las modificaciones epigenéticas eran borradas durante la gametogénesis o en la embriogénesis temprana para restablecer la totipotencia del embrión en desarrollo. Sin embargo, dentro de la última década ha surgido conocimiento adicional sobre la reprogramación epigenética y esta noción ha sido reevaluada. La evidencia actual apoya la idea de que las marcas epigenéticas no son siempre borradas por completo entre generaciones. La borradura incompleta de modificaciones en los genes, asociadas con un fenotipo medible, pueden resultar en patrones inusuales de herencia de una generación a la siguiente. La herencia epigenética transgeneracional se refiere a fenotipos presentes en generaciones sucesivas que no son determinadas genéticamente y resultan de modificaciones epigenéticas pasadas vía los gametos. Un efecto epigenético transgeneracional es un término utilizado cuando existe falta de evidencia de que las modificaciones epigenéticas son pasadas vía los gametos. Ya se ha reportado evidencia de efectos transgeneracionales en enfermedades metabólicas y cardiovasculares. La mortalidad se incrementa en hombres si el abuelo paterno fue expuesto a una nutrición abundante durante su periodo de crecimiento preadolescente, el cual es un efecto que fue después extendido a pares de abuela paterna y nieta y transmitido en una forma específica para el sexo. Estos sorprendes resultados proporcionan un fuerte apoyo al concepto de que una memoria del ambiente, portada por los gametos, está involucrada en los desórdenes metabólicos. Recientemente, se reportó la primera evidencia de una transmisión paterna no genética de un deterioro metabólico inducido por la dieta. Los padres rata sujetos a una dieta alta en grasas antes de cruzarse dieron nacimiento a una prole con disfunción programada de células β pancreáticas. Este fenotipo estuvo asociado con una expresión génica alterada de genes proinflamatorios en las isletas pancreáticas y en la variación asociada en el estatus de metilación del promotor. Este estudio proporciona evidencia de que la dieta afecta la linea germinal del padre, pero los portadores moleculares de dicha programación todavía deberán identificarse.

En conclusión, aunque la predisposición genética puede contribuir al desarrollo de T2D, la dieta y la actividad física son factores ambientales que también pueden tener un efecto positivo en la sensibilidad a la insulina. Se están multiplicando los reportes que muestran que la metilación del DNA puede ser influenciada por factores ambientales en algunos tejidos somáticos y, así, se abren nuevos caminos para estrategias de tratamiento para la resistencia a la insulina en tejidos diana. Lo que es más importante, la evidencia emergente sobre una posible herencia epigenética puede cambiar nuestra comprensión de la delimitación temporal de la causa de los desórdenes metabólicos.

Permanecen desafíos importantes en la identificación de los portadores moleculares de la herencia epigenética en la linea germinal. Adicionalmente, debe todavía determinarse los factores específicos en el ambiente que son responsables por su aparición.

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