1 Genes, hábitos de vida y medio ambienteJ. A. Lozano Prof. José Antonio Lozano Teruel. Curso

2 Fenotipo físico y biológicoSe denomina fenotipo a la expresión del genotipo en un determinado ambiente. Los rasgos fenotípicos incluyen rasgos tanto físicos como conductuales. El fenotipo no puede definirse como la "manifestación visible" del genotipo, pues a veces las características que se estudian no son visibles en el individuo, como es el caso de la presencia de una enzima. Un fenotipo es cualquier característica o rasgo de un organismo, como su morfología, desarrollo, propiedades bioquímicas, fisiología y comportamiento. Existen fenotipos visibles y fenotipos invisibles En el difundido libro “El Fin de la Ciencia” (subtitulado “Los límites del conocimiento en el declive de la era científica”) del que fue editor científico de la revista Scientific American, John Horgan, recordaba la participación, en 1989, del gran pionero fundador de la biología molecular Gunther Stent, en un simposio organizado por el College Gustavus Adolphus, de Minnesota, titulado “¿El fin de la ciencia?”. Según Stent “la vertiginosa velocidad a la que está moviéndose el progreso hace que parezca más probable el que este llegue pronto a su fin, cosa que se podría producir mientras vivamos nosotros, o dentro de un par de generaciones, a más tardar”. Han transcurrido ya más de 20 años. ¿Qué podemos decir al respecto?. Stent murió hace dos años a una avanzada edad. Los borradores completos del Proyecto Genoma Humano, presentados en parecian un final de camino. Pero no ha sido ni mucho menos así. Para la Biología Molecular tiene validez el retruécano usado por Churchill, en la Segunda Guerra Mundial, tras el desembarco de Normandía: "Esto no es el fin. No es siquiera el principio del fin. Pero quizá sea el fin del principio." Fenotipo Perú Fenotipo Chile

3 ? Hábitos de Factores Vida Ambientales Factores GenéticosEn el difundido libro “El Fin de la Ciencia” (subtitulado “Los límites del conocimiento en el declive de la era científica”) del que fue editor científico de la revista Scientific American, John Horgan, recordaba la participación, en 1989, del gran pionero fundador de la biología molecular Gunther Stent, en un simposio organizado por el College Gustavus Adolphus, de Minnesota, titulado “¿El fin de la ciencia?”. Según Stent “la vertiginosa velocidad a la que está moviéndose el progreso hace que parezca más probable el que este llegue pronto a su fin, cosa que se podría producir mientras vivamos nosotros, o dentro de un par de generaciones, a más tardar”. Han transcurrido ya más de 20 años. ¿Qué podemos decir al respecto?. Stent murió hace dos años a una avanzada edad. Los borradores completos del Proyecto Genoma Humano, presentados en parecian un final de camino. Pero no ha sido ni mucho menos así. Para la Biología Molecular tiene validez el retruécano usado por Churchill, en la Segunda Guerra Mundial, tras el desembarco de Normandía: "Esto no es el fin. No es siquiera el principio del fin. Pero quizá sea el fin del principio." ? Fenotipo físico y biológico

4 Curiosidad fenotípica ¿genético o aprendible?Doblar la lengua: ¿genético o aprendible? La capacidad para enroscar la lengua en forma de U es controlada por un gen dominante. Si eres capaz de hacerlo, al menos uno de tus padres debe ser capaz de hacerlo

5 ¿Qué longitudes tienen sus dedos índice y anular? Curiosidad fenotípica Tener el dedo anular más largo que el dedo índice está controlado por un gen recesivo.

6 ¿Cuál es la participación y con qué independencia?Hábitos de Vida Factores Ambientales ? ? ? Factores Genéticos En el difundido libro “El Fin de la Ciencia” (subtitulado “Los límites del conocimiento en el declive de la era científica”) del que fue editor científico de la revista Scientific American, John Horgan, recordaba la participación, en 1989, del gran pionero fundador de la biología molecular Gunther Stent, en un simposio organizado por el College Gustavus Adolphus, de Minnesota, titulado “¿El fin de la ciencia?”. Según Stent “la vertiginosa velocidad a la que está moviéndose el progreso hace que parezca más probable el que este llegue pronto a su fin, cosa que se podría producir mientras vivamos nosotros, o dentro de un par de generaciones, a más tardar”. Han transcurrido ya más de 20 años. ¿Qué podemos decir al respecto?. Stent murió hace dos años a una avanzada edad. Los borradores completos del Proyecto Genoma Humano, presentados en parecian un final de camino. Pero no ha sido ni mucho menos así. Para la Biología Molecular tiene validez el retruécano usado por Churchill, en la Segunda Guerra Mundial, tras el desembarco de Normandía: "Esto no es el fin. No es siquiera el principio del fin. Pero quizá sea el fin del principio." ¿Cuál es la participación y con qué independencia? Fenotipo físico y biológico J. A. Lozano

7 Transcriptasa inversa; retrovirusLos grandes dogmas biológicos se han desmoronado : 6 ejemplos recientes 1. Flujo informativo (ADN  ARN  proteínas) Transcriptasa inversa; retrovirus J. A. Lozano

8 Los grandes dogmas biológicos se han desmoronado2. Un gen  Una enzima Beadle y Tatum (1941) Parece ser: genes; proteínas? J. A. Lozano

9 Los grandes dogmas biológicos se han desmoronado3. Inalterabilidad de los genes a lo largo de la vida Muchos mecanismos de alteraciones Alteraciones cromosómicas Variabilidad genética Derivas génicas Mutaciones Variaciones tandem Epigénesis Transferencia lateral génica J. A. Lozano

10 Los grandes dogmas biológicos se han desmoronadoExones:1,1% Intrones:24 % Secuencias intergénicas: 74,9% 4. Un 98% de nuestro genoma es “ADN basura”, no codificante Mecanismos de regulación/control desconocidos. Codificar ARNi , ARNmi, etc. Elementos de regulación-control Ubicación: zonas intergénicas, intrones Variabilidad: promotores, enhancer (potenciador

11 Los grandes dogmas biológicos se han desmoronado5. El lamarquismo es radicalmente falso La epigenética es una realidad científica

12 Los grandes dogmas biológicos se han desmoronado6. La selección natural es el mecanismo característico de la evolución Participan muchos procesos Selección natural Variabilidad genética Reproducción desigual Migraciones Aislamiento Tamaño población Supervivencia desigual Alteraciones cromosómicas Derivas génicas Mutaciones Variaciones tandem Transferencia lateral génica Epigénesis (Reversibilidad) (¿Irreversibilidad?) J. A. Lozano

13 ¿Qué ha sucedido? Factores (Mendel, 1866)HERENCIA Unidad hereditaria (Johanssen,1909) GEN (Doble hélice, 1953) GENÓMICA ADN (Avery et al., 1944) GENÉTICA En el difundido libro “El Fin de la Ciencia” (subtitulado “Los límites del conocimiento en el declive de la era científica”) del que fue editor científico de la revista Scientific American, John Horgan, recordaba la participación, en 1989, del gran pionero fundador de la biología molecular Gunther Stent, en un simposio organizado por el College Gustavus Adolphus, de Minnesota, titulado “¿El fin de la ciencia?”. Según Stent “la vertiginosa velocidad a la que está moviéndose el progreso hace que parezca más probable el que este llegue pronto a su fin, cosa que se podría producir mientras vivamos nosotros, o dentro de un par de generaciones, a más tardar”. Han transcurrido ya más de 20 años. ¿Qué podemos decir al respecto?. Stent murió hace dos años a una avanzada edad. Los borradores completos del Proyecto Genoma Humano, presentados en parecian un final de camino. Pero no ha sido ni mucho menos así. Para la Biología Molecular tiene validez el retruécano usado por Churchill, en la Segunda Guerra Mundial, tras el desembarco de Normandía: "Esto no es el fin. No es siquiera el principio del fin. Pero quizá sea el fin del principio." (PGH, 2000) PROTEÓMICA J. A. Lozano

14 25 abril 1953 (1993) J. A. Lozano

15 J. Craig Venter Año Primer borrador Francis Collins En el difundido libro “El Fin de la Ciencia” (subtitulado “Los límites del conocimiento en el declive de la era científica”) del que fue editor científico de la revista Scientific American, John Horgan, recordaba la participación, en 1989, del gran pionero fundador de la biología molecular Gunther Stent, en un simposio organizado por el College Gustavus Adolphus, de Minnesota, titulado “¿El fin de la ciencia?”. Según Stent “la vertiginosa velocidad a la que está moviéndose el progreso hace que parezca más probable el que este llegue pronto a su fin, cosa que se podría producir mientras vivamos nosotros, o dentro de un par de generaciones, a más tardar”. Han transcurrido ya más de 20 años. ¿Qué podemos decir al respecto?. Stent murió hace dos años a una avanzada edad. Los borradores completos del Proyecto Genoma Humano, presentados en parecian un final de camino. Pero no ha sido ni mucho menos así. Para la Biología Molecular tiene validez el retruécano usado por Churchill, en la Segunda Guerra Mundial, tras el desembarco de Normandía: "Esto no es el fin. No es siquiera el principio del fin. Pero quizá sea el fin del principio." “La secuencia del genoma proveerá la explicación última de lo que es un ser humano (Gilbert, 1987) “El conocimiento proveniente del Proyecto del Genoma Humano podrá resolver los problemas de la miseria y el crimen, y ayudar a los pobres, los débiles y los desamparados” (Koshland, 1991) J. A. Lozano

16 EPIGENÓMICA Factores (Mendel, 1866)HERENCIA Unidad hereditaria (Johanssen,1909) GEN (Doble hélice, 1953) GENÓMICA ADN (Avery et al., 1944) GENÉTICA En el difundido libro “El Fin de la Ciencia” (subtitulado “Los límites del conocimiento en el declive de la era científica”) del que fue editor científico de la revista Scientific American, John Horgan, recordaba la participación, en 1989, del gran pionero fundador de la biología molecular Gunther Stent, en un simposio organizado por el College Gustavus Adolphus, de Minnesota, titulado “¿El fin de la ciencia?”. Según Stent “la vertiginosa velocidad a la que está moviéndose el progreso hace que parezca más probable el que este llegue pronto a su fin, cosa que se podría producir mientras vivamos nosotros, o dentro de un par de generaciones, a más tardar”. Han transcurrido ya más de 20 años. ¿Qué podemos decir al respecto?. Stent murió hace dos años a una avanzada edad. Los borradores completos del Proyecto Genoma Humano, presentados en parecian un final de camino. Pero no ha sido ni mucho menos así. Para la Biología Molecular tiene validez el retruécano usado por Churchill, en la Segunda Guerra Mundial, tras el desembarco de Normandía: "Esto no es el fin. No es siquiera el principio del fin. Pero quizá sea el fin del principio." (PGH, 2000) PROTEÓMICA EPIGENÓMICA J. A. Lozano

17 Hábitos de Vida Factores Ambientales EPIGENÉTICA GenéticaEn el difundido libro “El Fin de la Ciencia” (subtitulado “Los límites del conocimiento en el declive de la era científica”) del que fue editor científico de la revista Scientific American, John Horgan, recordaba la participación, en 1989, del gran pionero fundador de la biología molecular Gunther Stent, en un simposio organizado por el College Gustavus Adolphus, de Minnesota, titulado “¿El fin de la ciencia?”. Según Stent “la vertiginosa velocidad a la que está moviéndose el progreso hace que parezca más probable el que este llegue pronto a su fin, cosa que se podría producir mientras vivamos nosotros, o dentro de un par de generaciones, a más tardar”. Han transcurrido ya más de 20 años. ¿Qué podemos decir al respecto?. Stent murió hace dos años a una avanzada edad. Los borradores completos del Proyecto Genoma Humano, presentados en parecian un final de camino. Pero no ha sido ni mucho menos así. Para la Biología Molecular tiene validez el retruécano usado por Churchill, en la Segunda Guerra Mundial, tras el desembarco de Normandía: "Esto no es el fin. No es siquiera el principio del fin. Pero quizá sea el fin del principio." Fenotipo físico y biológico Fenotipo físico y biológico J. A. Lozano

18 Búsqueda en Google Scholar. “Epigenetic” en títuloPublicaciones en revistas internacionales En el difundido libro “El Fin de la Ciencia” (subtitulado “Los límites del conocimiento en el declive de la era científica”) del que fue editor científico de la revista Scientific American, John Horgan, recordaba la participación, en 1989, del gran pionero fundador de la biología molecular Gunther Stent, en un simposio organizado por el College Gustavus Adolphus, de Minnesota, titulado “¿El fin de la ciencia?”. Según Stent “la vertiginosa velocidad a la que está moviéndose el progreso hace que parezca más probable el que este llegue pronto a su fin, cosa que se podría producir mientras vivamos nosotros, o dentro de un par de generaciones, a más tardar”. Han transcurrido ya más de 20 años. ¿Qué podemos decir al respecto?. Stent murió hace dos años a una avanzada edad. Los borradores completos del Proyecto Genoma Humano, presentados en parecian un final de camino. Pero no ha sido ni mucho menos así. Para la Biología Molecular tiene validez el retruécano usado por Churchill, en la Segunda Guerra Mundial, tras el desembarco de Normandía: "Esto no es el fin. No es siquiera el principio del fin. Pero quizá sea el fin del principio."

19 En el difundido libro “El Fin de la Ciencia” (subtitulado “Los límites del conocimiento en el declive de la era científica”) del que fue editor científico de la revista Scientific American, John Horgan, recordaba la participación, en 1989, del gran pionero fundador de la biología molecular Gunther Stent, en un simposio organizado por el College Gustavus Adolphus, de Minnesota, titulado “¿El fin de la ciencia?”. Según Stent “la vertiginosa velocidad a la que está moviéndose el progreso hace que parezca más probable el que este llegue pronto a su fin, cosa que se podría producir mientras vivamos nosotros, o dentro de un par de generaciones, a más tardar”. Han transcurrido ya más de 20 años. ¿Qué podemos decir al respecto?. Stent murió hace dos años a una avanzada edad. Los borradores completos del Proyecto Genoma Humano, presentados en parecian un final de camino. Pero no ha sido ni mucho menos así. Para la Biología Molecular tiene validez el retruécano usado por Churchill, en la Segunda Guerra Mundial, tras el desembarco de Normandía: "Esto no es el fin. No es siquiera el principio del fin. Pero quizá sea el fin del principio."

20 A modo de guión Más allá de la secuencia genética… 1 Epigenética¿Qué es? Origen e historia Los mecanismos epigenéticos Epigenética, infancia, salud Los hábitos: El diálogo genoma-ambioma 1 2 3 4 5 J. A. Lozano

21 1 Más allá de la secuencia genética… J. A. Lozano

22 Organización genómica1 Organización genómica cromosoma Cromatina condensada Lazos de cromatina Núcleo de nucleosomas Fibra 30 nm ADN doble hélice 1400 nm nm nm nm nm nm Fibra de cromatina Histona H1 Nucleosoma sin H1 ADN J. A. Lozano

23 Ubicación: zonas intergénicas, intronesEl gran salto: desde la secuencias a la regulación/control Secuencias intergénicas: 74,9% Intrones:24 % Exones:1,1% Elementos de regulación-control Ubicación: zonas intergénicas, intrones Variabilidad: promotores, enhancer (potenciador J. A. Lozano

24 La epigenética - Origen - Historia 2 2

25 Epigenética: conceptoAristóteles ( AC) Concepto de epigénesis: el desarrollo de la forma orgánica del individuo a partir de materia amorfa “todas las cosas extrañas y asombrosas que no pueden ser explicadas por la genética” Denise Barlow la epigenética es lo que manifiesta cómo actúan los modos de vida sobre nuestros genes. La epigenética sería algo así como el interlocutor del ambiente con la genética, el diálogo entre el “Ambioma” con nuestro genoma. “el ADN es la cinta que almacena la información y el epigenoma es su reproductor” Epigenética Esteller Principal grupo español oncologia y epigenetica Bryan Turner Manel Esteller “el disco duro es como el ADN y los programas de software el epigenoma” J. A. Lozano Jörn Walter

26 Epigenética: mi descripción (¿originalidad?)Cambios (heredables) en la función génica que se producen por causas externas sin un cambio en la secuencia del ADN. Símil musical: Partitura + orquesta (director, instrumentos y músicos) + local. Así, con una misma partitura, puedan existir versiones de la obra muy diferentes. Nuestro genoma es lo invariable, como la partitura que posee la potencialidad de expresarse de un modo u otro (en versión humana los grandes rasgos fenotípicos: rubio, moreno, alto, bajo, etc.) La forma concreta de interpretar esa partitura (en versión biológica, el control y regulación de nuestros genes) es lo que hace aparecer un individuo concreto, con sus singularidad biológica. La variedad epigenética es importante porque se relaciona con el desarrollo, susceptibilidad a sufrir ciertas patologías como cánceres, enfermedades priónicas, etc. Partitura Genoma Grabación Reproducida Nacimiento Herencia Transgeneracional Orquesta, etc Epigenoma Ensayos sucesivos Resultado final J. A. Lozano

27 Epigenética. Concepto. Robin Holliday: científico, escritor y escultorGran genético. “La estructura Holliday” de la recombinación genética 1975. Demostración de que la metilación del ADN causaba silenciamentos genéticos en mamíferos ( ) 2002. Definición de Epigenética “los cambios en la función de los genes que son heredables por mitosis y/o por meiosis, que no entrañan una modificación en la secuencia del ADN y que pueden ser reversibles” Robin Holliday nació en el Mandato Británico de Palestina en 1932 , el menor de cuatro hermanos. La familia se mudó a Inglaterra en 1935, y luego en 1939 a Ceilán , donde vivieron durante cuatro años durante la guerra. También estaban en el sur de África (1 año) y Gibraltar (3 años) Volvió al Reino Unido en 1947 y completó su educación en Hitchin Grammar School y la Universidad de Cambridge ( ) . Su doble titulación de primer nivel en Ciencias Naturales fue seguido de un doctorado en materia de genética en Luego trabajó en el Instituto John Innes , cerca de Hertford , Reino Unido, donde desarrolló el modelo molecular de ADN conocido como la estructura "Holliday " o la unión . Se trata de una estructura de ADN formado siempre omnipresente de la rotura y reunión de ADN cromosómico se produce . Desde pasó un año en la Universidad de Washington, Seattle , EE.UU. . En 1965 se trasladó a El Instituto Nacional de Investigación Médica de Mill Hill, Londres, donde Peter Medawar fue Director . J. A. Lozano

28 Un precursor polémico: Lamarck y los caracteres adquiridosCambios evolutivos extremadamente lentos que dependen de circunstancias externas favorables determinando la transformación progresiva de las facultades de los organismos; éstos se van diversificando y legando a su descendencia los caracteres adquiridos. El descrédito del lamarckismo arrastró consigo, injustamente, al resto de su obra: Un excelente libro "Flora de Francia" con claves dicotómicas clasificatorias El primer científico en utilizar la palabra biología para referirse a las ciencias de la vida Acuñó la palabra invertebrados Escribió una impresionante "Historia natural de los animales invertebrados" ( ), en siete tomos. Jean-Baptiste Pierre Antoine de Monet, Chevalier de Lamarck ( ) J. A. Lozano

29 Un precursor fraudulento: LysenkoLos peligros de los dogmas ideológicos: Trofim D. Lysenko ( ) un lamarckista fanático Epoca: Stalin-Kruschev Vernalización-michurinismo-lysenkismo Negación de genes y cromosomas, supersticiones materialistas Negación de competencia intraespecie Defensa de competencia interespecie Cultivo de árboles “en grupo”: 15% supervivencia Adaptación de naranjos a zonas polares Cruce de toros pequeños con vacas grandes: producción láctea arruinada Ideología marxista: la humanidad es moldeable más allá de lo que la naturaleza impone la herencia genética no puede ser un factor limitante. La genética era una superstición burguesa para el nuevo hombre soviético no había determinismos: lo realmente importante era el entorno. el material genético es titubeante en estadios tempranos del desarrollo de cualquier especie, que podría transformarse en otra distinta si se desarrollaba en condiciones ambientales adecuadas, es decir, si se la reeducaba convenientemente. los nuevos caracteres adquiridos se transmitirían a su descendencia. La aplicación del lamarkismo por Trofim D. Lysenko, durante más de 30 años, causó la destrucción ciencia biológica soviética, un daño irreparable a la agricultura soviética y tremendas hambrunas La anécdota, tras una conferencia: - C: ¿Terminan heredándose todos los caracteres adquiridos? L: ¡¡¡SÍ!!! C: La inmensa mayoría de las mujeres rusas han sido madres. ¿Por qué, tras tantas generaciones, siguen naciendo las mujeres con himen? J. A. Lozano

30 La interpretación Los hechos Los acontecimientosEpigenética: Kammerer, ¿el descubridor? La interpretación Kammerer interpretó todo ello como rasgos adaptativos adquiridos como consecuencia de las condiciones sometidas (las almohadillas ayudarían a que no se les escurriera la hembra en el momento clave reproductivo). Los rasgos posteriormente eran transmisibles. ¿epigenética? Los hechos Los acontecimientos Paul Kammerer ( ), biólogo lamarckista austriaco. Ocho años de trabajo investigando sobre el sapo partero. Suele vivir en el agua y se traslada a un lugar seco para procrear. Kammerer les obligó a vivir en un terrario inhábil para la procreación. Los animales obligados a reproducirse en el agua. Aunque la mayoría morían, un 5% sobrevivían. Interesante: los sapos supervivientes, devueltos a sus condiciones naturales seguían procreando en el agua. Además, tras varias generaciones, los sapos parteros desarrollaban unas almohadillas oscuras nupciales en las patas. I Guerra Mundial: bombardeo del centro de Kammerer, aniquilación de sus sapos Sólo se salvó uno, en un bote de formol. En 1926, Gladwyn Kingsley Noble, del Museo Americano de Historia Natural, acusó de fraude a Kammerer: a ese espécimen le habían inyectado tinta negra para simular el aspecto de las almohadillas. Seis semanas después Kammerer se suicidó. La imagen de Kammerer quedó muy dañada, su legado científico se fue al traste y su nombre quedó asociado a la infamia científica Alexander O. Vargas, Paleontólogo Universidad de Chile J. A. Lozano

31 El caso Kammerer Alexander O. Vargas Paleontólogo Universidad de ChileJ. A. Lozano

32 Journal of Nutrition, onlineEpigenética: Popularización de la idea. Las madres holandesas Los hechos Zona occidental de Holanda Cerca del final de la Segunda Guerra Mundial Hambre y sufrimientos Las raciones oficiales eran casi exclusivamente pan y patatas A finales de noviembre de 1944 su contenido energético fue de 900 kcal diarias En abril de 1945 había bajado a 700 kcal diarias Murieron más de personas La hambruna finalizó en el momento de la liberación La sorpresa Las generaciones posteriores han quedado afectadas (peso al nacer, asma, etc) lo que implica que el efecto del hambre en las madres holandesas se había perpetuado hasta afectar a sus nietos. Cerca del final de Segunda Guerra Mundial, los víveres se hicieron cada vez más escasos en los Países Bajos. Las condiciones de vida se pusieron cada vez peores en los Países Bajos ocupados por los nazis. Los Aliados eran capaces de liberar la parte del sur del país hacia agosto de 1944, pero sus esfuerzos de liberación se detuvieron súbitamente cuando fracasó la Operación Market Garden, una tentativa por ganar el control de los puentes que cruzaban el río Rin cerca de la localidad de Arnhem. Después de que los ferrocarriles nacionales neerlandeses cumplieron una huelga en septiembre de 1944, en cooperación con el gobierno en el exilio, la administración militar alemana respondió decretando un embargo sobre todos los transportes de comida destinados al sector de Holanda que aún estaban bajo ocuypación de la Wehrmacht. Con ello, la población civil neerlandesa sólo podía contar para su sustento con los alimentos que pudiesen ser recolectados de inmediato en sus suelos agrícolas. PNAS, vol. 105 (44), 17046–17049, 2008 Journal of Nutrition, online doi: /jn , June 23, 2009 Human Molecular Genetics, Vol 18, –4053, 2009

33 Popularización del concepto. Un camposanto suecoSuecia Cementerio Prof. Olov Larsen Bygren Prof. Marcus Pembrey Överkalix Prof. Bygren: investigador Universidad Umea. Suecia Prof. Pembrey: Prof. Genética Clínica, Institute of Child Health, Londres Carta de Pembrey a Bygren, año 2000 100 años de registros parroquiales, producción y consumo alimentos (en los abuelos, fundamentalmente desde el nacimiento a los 20 años), etc 20 años de investigaciones previas y colaborativas Olov Larsen Bygren, de la Universidad Umea (Suecia); Junto al profesor Marcus Pembrey (Emérito de genética pediátrica del Instituto de salud infantil del Colegio Universitario de Londres), han hecho grandes descubrimientos trabajando juntos en Överkalix, una pequeña y aislada ciudad Sueca cercana al círculo polar ártico Sus conclusiones son la culminación de más de 20 años de trabajoSus conclusiones son la culminación de más de 20 años de trabajo cuanto más los estudiaban, más patrones descubrieron.Estudiaron el suministro de alimentos de los abuelos durante cada año, desde el momento en que fueron concebidos hasta que cumplieron 20 años. Encontraron que solo hay ciertos períodos en el desarrollo de los ancestros donde se pueden disparar esas respuestas generacionales. Son los que bien pudieran llamarse “Períodos Sensibles de Desarrollo”.Vieron esto en Överkalix: Cuando una hambruna era capaz de provocar efectos, era diferente para la abuela que para el abuelo.La abuela parece que fue susceptible mientras aún estaba en el útero, mientras que al abuelo le afecto justo antes de la pubertad Y el momento de estos períodos delicados del ciclo vital nos revelaba que estaba relacionado con la formación de los óvulos y el esperma. Por lo tanto la información medio ambiental quedaba impresa en el óvulo y el espermatozoide en el momento de su formación.La respuesta transgeneracional está relacionada con la formación del esperma y los óvulos en los abuelos. El diagrama final que Olov compartió con Marcus mostraba un vínculo significativo entre las dos generaciones con la dieta en una y con la esperanza de vida en la otra. Así, Pembry y Bygren tuvieron la primera evidencia concluyente de que un efecto medio ambiental había sido heredado por humanos. El impacto de la hambruna había sido captado por los genes en los óvulos y el esperma y la memoria de ese suceso había sido trasmitida y afectada a los nietos de las siguientes generaciones. Lo que nuestros abuelos comieron puede afectar a nuestra salud. No podemos, en un normal desarrollo de la vida, separar los genes del efecto medio ambiental. Están muy entrelazados. Cada vez más parece como todo tipo de sucesos medio ambientales fueran capaces de afectar a los genes. Y esto es un punto de inflexión enorme para la ciencia y las artes que se sirven de ella. Los efectos ambientales se transmiten generacionalmente Hambrunas en momentos críticos de la vida de los abuelos afectan la esperanza de vida de los nietos Relación también con el tipo de patología de los nietos (diabetes) Existencia de “periodos sensibles de desarrollo”. Las abuelas, durante su desarrollo fetal, los abuelos, inmediatamente antes de la pubertad Ello correspondía a la respectiva formación de óvulos y espermatozoides de los abuelos J. A. Lozano

34 La epigenética: Mecanismos y Actuaciones. 3

35 Estructura cromatina:El material genético Estructura cromatina: histonas y ADN nucleosoma - - + + Agradecimientos a los Organizadores, que ejemplarizo en los nombres de los presidentes de los respectivos comités: Junta directiva de la SEPES: Dr. José Luis Bonal Villanova Asociación de pediatría extrahospitalaria y atención primaia de la región de Murcia y del Comité Organizador: Dra. Ana Mª Rodríguez Fernández Comité Científico: Dr. Manuel Sánchez Solís de Querol ADN histonas J. A. Lozano cromosoma

36 Mecanismos EPIGENÉTICA Cambios en la expresión genética, heredablesmitótica o meióticamente, que no implican cambios en la secuencia de ADN. Alteración en el ADN Alteración histonas Alteracción en la asociación ADN-histonas Alteración en el control/regulación de la expresión de la información genética Los más investigados: 1. METILACIÓN DEL ADN Proceso que ocurre mayoritariamente en regiones genómicas repetitivas (no codificables en proteínas) que poseen restos CpG. La metilación del ADN (citosina) reprime la transcripción directamente (inhibiendo el enlace a factores de transcripción) e indirectamente al favorecer la acción de proteínas enlazantes a metil-CpG que son inhibidoras de la transcripción o represoras-modeladoras de las actividades de la cromatina. 2. MODIFICACIÓN DE HISTONAS Destacan las de los extremos de las histonas H3 y H4 que pueden ser modificadas covalentemente en varios de sus residuos aminoacídicos, por metilación, acetilación, fosforilación, ubiquitinización, etc. pudiendo modificar diferentes procesos biológicos como la expresión genética, la reparación de ADN o la condensación cromosómica. J. A. Lozano

37 METILACIÓN DEL ADN MÁS… 1. Existen diversas ADN metiltransferasasLas islas CpG son regiones del ADN entre 0.5 y 5 Kb. Un Kb: mil pares de bases (pb). Un pb equivale a 3.4 Å. Presentan una proporción de dinucleótidos CG del 55% y suponen alrededor del 1% del genoma humano. En situación “normal” estas “islas” no se encuentran metiladas. Su metilación provoca que determinados genes se puedan inhibir (o expresar). MÁS… Existen diversas ADN metiltransferasas 2. Aparte de islas CG, otras posibilidades como CHG y CHH en que H puede ser A, T o C Esas zonas no intervienen directamente en procesos relacionados con la expresión de la información genética.

38 1.2 Modificaciones epigenéticas de histonas: ¿sirtuinas?Cromatina activa Ac nucleosoma Una enzima extraña (histona deacetilasa): Rompe NAD a nicotinamida y ADP-ribosa Extrae el acetilo de histonas y otras proteínas El nucleosoma se empaqueta La cromatina se inactiva: silenciamiento de transcripciones de genes Sir2-NAD Nicotinamida Acetil-ADP-ribosa Relación directa entre mayor nivel de expresión de Sir2, menor metabolismo energético y mayor longevidad NAD Sir2 nucleosoma Cromatina inactiva

39 2. Actuaciones epigenéticas. ¿cuándo?2. 1. Durante el desarrollo: 2. 2. En células diferenciadas, incluyendo neuronas 2. 2. En células madre pluripotentes Gametos Zigoto Mórula Blastocisto Embrión 1.Desmetilación de pronúcleo paterno 3.Metilacíón de novo del ADN en MIC 4. Mantenimiento Metilacíón de ADN 2.Desmetilacíón del ADN materno Fertilización División celular Cavitación Diferenciación Antes de la primera división celular zigótica El ADN de procedencia maternal se desmetila tras varias divisones celulares. En la masa interna celular (MIC) que se diferenciarán posteriormente Los patrones de metilación se conservarán cuando las células diferenciadas realicen mitosis. En el recorrido genotipo (ADN)  fenotipo la epigenética juega un papel esencial. J. A. Lozano

40 3. Regulación epigenética del genoma: ¿dónde?3. 1. En promotores: promotores con baja, intermedia o altas CpG De: Epigenetic mechanisms that underpin metabolic and cardiovascular diseases Peter D. Gluckman, Mark A. Hanson, Tatjana Buklijas, Felicia M. Low & Alan S. Beedle Nature Reviews Endocrinology 5, (July 2009) 3. 2. En regiones reguladoras distales De: An epigenetic view of helper T cell K Mark Ansel, Dong U Lee & Anjana Rao Nature Immunology 4, (2003) J. A. Lozano

41 INACTIVACIÓN DEL CROMOSOMA X4 En inactivación del cromosoma X INACTIVACIÓN DEL CROMOSOMA X Tiene lugar en las hembras mamíferas cuando uno de los cromosomas de la pareja X se inactiva. Al inicio del desarrollo embrionario en las hembras uno de los dos cromosomas se inactiva permanentemente para asegurar la compensación de dosis con respecto al macho. El proceso de inactivación conlleva una serie de mecanismos epigenéticos sobre el cromosoma inactivado, incluyendo cambios en metilación de ADN y modificaciones de histonas. La porción no codificadora de ARN Xist se transcribe (rojo) desde la porción Xist del ADN del cromosoma inactivo Xi. Xist se va enlazando a lo largo del cromosoma Xi. El cromosoma silenciado Xi sufre modificaciones en las histonas (triángulos rojos) y en la metilación del ADN de zonas promotoras e intragénicas (estrellasrojas). El cromosoma X activo Xa muestra modificaciones activantes de histonas (triángulos verdes) y metilaciones genéticas (estrellas verdes). Sinergia entre metilación de ADN, hipoacetilación de histonas y acción de Xist para mantener la inactivación del cromosoma X. J. A. Lozano

42 Síndromes por defectos epigenéticosLos defectos de “impronta” están estrechamente relacionados con la carcinogénesis y diversas enfermedades genéticas humanas como los síndrome de Angelman, de Prader - Willi y de Beckwith-Wiedemann. En el el síndrome de Angelman (incidencia 1/ /30.000) los problemas son de “imprinting” materno. Se pierde la expresión del gen materno UB3A, en la región chr15q11-13, y sólo es “imprintado” en cerebro. Resultado: ataxia, síndrome de “la marioneta feliz” o de los “niños títeres”, epilepsia, temblores, y retardo mental severo. Angelman Región 15q “imprintada” maternalmente (sin expresión genética) Región 15q “imprintada” maternalmente (sin expresión genética) Prader-Willi Beckwith-Wiedemann La contribución para esa región de sus dos cromosomas 15 es únicamente materna, estando ausente la contribución paterna

43 Epigenética y sus efectos posteriores J. A. Lozano

44 4 4.2 Epigenética y periodo prenatal4.2.1 Técnicas de reproducción asistida En más de 500 investigaciones publicadas en revistas internacionales sobre aspectos epigenéticos en Ginecología y Medicina Reproductiva. La mayoría de ellos relacionados con los cambios epigenéticos y sus consecuencias con el uso de diversas técnicas de reproducción asistida. En el cultivo in vitro de embriones animales (humanos) se dan modificaciones epigenéticas. Consecuencias (discutidas): en niños nacidos por FIV algunas patologías epigenéticas son 3-6 veces más frecuentes J. A. Lozano

45 4 4.2 Epigenética y periodo prenatal4.2.2 Embarazo y nutrición: el experimento con los ratones agouti “idénticos” genéticamente Numerosos estudios epidemiológicos y experimentales Malnutrición madre Malnutrición feto  alteraciones epigenéticas (metilaciónes), retardo de crecimiento intrauterino. A más largo plazo, menor progreso intelectual, de adultos diversas enfermedades, incluso crónicas Amarillo Obeso Cancer Diabetes Vida corta Marrón Delgado Saludable Longevo Ratón aguti, con gen agouti: amarillo Dos grupos y dos dietas: a) normal; b) + ác. fólico + vit B12 + betaina + colina Los agouti machos x agoti hembras y dieta suplementada: descendencia delgados, color marrón oscuro y con menores riesgos de cáncer y diabetes: ¡¡Diferente fenotipo!! Agouti y marrones, misma secuencia genética. En los marrones oscuros el gen agoti no se expresaba debido a la metilación del ADN de un transposón Interestingly, whether or not a mouse becomes obese seems to depend on the levels of methyl-donating substances, such as folic acid (a vitamin naturally found in high amounts in organ meats, many kinds of legumes, and dark leafy greens). The reason behind this has to do with the way that DNA passes information to cells in the body -- a process called DNA methylation. Whether or not certain genes are expressed has a lot to do with this process. Without enough methyl-donating substances, such as the B-vitamins, betaine, choline, SAM-e and genistein (from soybeans), DNA methylation is disturbed and abnormal cell expression, along with switching on or off certain genes, results. You can see why folic acid supplementation is recommended for pregnant women and why women in traditional cultures consume "sacred" foods rich in methyl-donating nutrients, such as liver, before and during pregnancy. El Bisfenol A (BPA), usado en la producción de polímeros policarbonatos y epoxídicos de envolturas de alimentos dificulta la metilación del gen Posteriormente, el mismo grupo: el suplemento de colina a hembras preñadas un patrón de metilación que silencia un gen limitador de la división celular en el centro de la memoria cerebral. Resultado: gran aumento de la memoria en su progenie. J. A. Lozano

46 4 4.2 Epigenética y periodo prenatal4.2.3 Embarazo, tabaco y epigenética Hechos Más de un 20% de fumadoras siguen fumando durante el embarazo En USA son fumadoras un 12% de todas las embarazadas Dejar de fumar evitaría un 6% de las muertes de prematuros y un 30% de las debidas a SMSL Algunos fetos son muy sensibles, mientras otros no lo son Unas 300 investigaciones publicadas entre enero 2010-septiembre 2010 en revistas JCI sobre este tema. La exposición al tabaco durante los embarazos de la madre y de la abuela incrementa el riesgo de cáncer en los descendientes. investigadores de los hospitales La Fe de Valencia, Virgen de la Arrixaca (Murcia) y Hospital de Madrid Interestingly, whether or not a mouse becomes obese seems to depend on the levels of methyl-donating substances, such as folic acid (a vitamin naturally found in high amounts in organ meats, many kinds of legumes, and dark leafy greens). The reason behind this has to do with the way that DNA passes information to cells in the body -- a process called DNA methylation. Whether or not certain genes are expressed has a lot to do with this process. Without enough methyl-donating substances, such as the B-vitamins, betaine, choline, SAM-e and genistein (from soybeans), DNA methylation is disturbed and abnormal cell expression, along with switching on or off certain genes, results. You can see why folic acid supplementation is recommended for pregnant women and why women in traditional cultures consume "sacred" foods rich in methyl-donating nutrients, such as liver, before and during pregnancy. Efecto genético: deleción con inactivación del gen GSTST1 relacionado con eliminación de metabolitos peligrosos derivados del metabolismo de los componentes del humo. Efecto epigenético: aumento epigenético de la expresión del gen placentario CYPA1 La suma de los dos efectos: Más formación de un peligroso aducto del ADN-hidrocarburo aromático policíclico (epigenético) y menor excrección del aducto (genético) El que se produzca o no el efecto genético es responsable primario de que los niños sufran o no afectaciones durante el embarazo (desarrollo, peso) y posteriormente (asma, susceptibilidad a enfermedades) J. A. Lozano

47 4 4.2 Epigenética y periodo prenatal4.2.4 Embarazo, alcohol y epigenética Hechos: Los efectos perjudiciales de la ingesta de alcohol durante el embarazo son bien conocidos: desarrollo fetal, hiperactividad, irregularidaes faciales, déficit cognitivo y de atención, desajustes de memoria, descoordinación motora, mal funcionamiento psicosocial, etc. (síndrome alchólico fetal) La investigación de los posibles mecanismos epigenéticos implicados se ha incrementado mucho recientemente Se han establecido diversos mecanismos epigenéticos y se han comenzado a conocer su base molecular Publicaciones: Interestingly, whether or not a mouse becomes obese seems to depend on the levels of methyl-donating substances, such as folic acid (a vitamin naturally found in high amounts in organ meats, many kinds of legumes, and dark leafy greens). The reason behind this has to do with the way that DNA passes information to cells in the body -- a process called DNA methylation. Whether or not certain genes are expressed has a lot to do with this process. Without enough methyl-donating substances, such as the B-vitamins, betaine, choline, SAM-e and genistein (from soybeans), DNA methylation is disturbed and abnormal cell expression, along with switching on or off certain genes, results. You can see why folic acid supplementation is recommended for pregnant women and why women in traditional cultures consume "sacred" foods rich in methyl-donating nutrients, such as liver, before and during pregnancy. J. A. Lozano

48 4 4.2 Epigenética y periodo prenatal 4.2.5 Estrés y maltrato maternoEl maltrato de la madre durante el embarazo, a corto plazo afecta a un retardo de crecimiento intrauterino. A largo plazo los niños presentan anomalías por fallo en la regulación del eje hipotálamo –hipófisis - adrenal. La base molecular epigenética parece consistir en la metilación del gen NR3C1 (receptor de gluco-corticoides), proceso que depende del estado anímico de la madre. Interestingly, whether or not a mouse becomes obese seems to depend on the levels of methyl-donating substances, such as folic acid (a vitamin naturally found in high amounts in organ meats, many kinds of legumes, and dark leafy greens). The reason behind this has to do with the way that DNA passes information to cells in the body -- a process called DNA methylation. Whether or not certain genes are expressed has a lot to do with this process. Without enough methyl-donating substances, such as the B-vitamins, betaine, choline, SAM-e and genistein (from soybeans), DNA methylation is disturbed and abnormal cell expression, along with switching on or off certain genes, results. You can see why folic acid supplementation is recommended for pregnant women and why women in traditional cultures consume "sacred" foods rich in methyl-donating nutrients, such as liver, before and during pregnancy. El estrés temprano o en el embarazo lleva a consecuencias de largo plazo de comportamiento y neurobiológicas de la descendencia: ansiedad, depresión, exceso de fármacos, desajustes de memoria. Los niveles altos asociados de corticosterona maternos pueden ser la causa de las modificaciones epigenéticas. J. A. Lozano

49 Cuidado maternal (estímulo tactil) Estímulo factores transcripción4 4.3 Epigenética y periodo postnatal Cuidados maternos y desarrollo Bajo Alto Cuidado maternal (estímulo tactil) TSA, tricostatina A Estímulo factores transcripción ADN “ACTIVO” Metionina ADN “SILENCIOSO” Su equipo descubrió “ la importancia de la atención materna en modificar la expresión de genes que regulan el comportamiento y las respuestas neuroendocrinas al estrés, así como el desarrollo sináptico del hipocampo” Interestingly, whether or not a mouse becomes obese seems to depend on the levels of methyl-donating substances, such as folic acid (a vitamin naturally found in high amounts in organ meats, many kinds of legumes, and dark leafy greens). The reason behind this has to do with the way that DNA passes information to cells in the body -- a process called DNA methylation. Whether or not certain genes are expressed has a lot to do with this process. Without enough methyl-donating substances, such as the B-vitamins, betaine, choline, SAM-e and genistein (from soybeans), DNA methylation is disturbed and abnormal cell expression, along with switching on or off certain genes, results. You can see why folic acid supplementation is recommended for pregnant women and why women in traditional cultures consume "sacred" foods rich in methyl-donating nutrients, such as liver, before and during pregnancy. Desde 1988, el grupo de este gran investigador han publicado un gran número de experimentos aclarando los mecanismos epigenéticos por los que la conducta materna, en ratas, afecta a la respuesta al estrés de sus crías Michael Meaney, profesor de la Universidad McGill J. A. Lozano

50 4 4.3 Epigenética y periodo postnatalCuidados maternos y desarrollo. Un esquema simplificado GR Receptor de glucocorticoides en hipotálamo y lóbulo frontal Menor respuesta al estrés Mecanismos epigenéticos de metilación de ADN Cuidado materno Esquema general Sistema HHA Mayor feedback negativo Posteriormente, el grupo confirmó que en estas ratas la respuesta al estrés se encuentra disminuida a nivel del locus coereleus45 y que los niveles de noradrenalina extracelulares son menores en el sistema nervioso central46. En el año 2000 se identificó un aumento de los receptores GABA-que participan en el feedback negativo del eje HHA- a nivel del locus coereleus y en el núcleo central y basolateral de la amígdala en ratas manipuladas47. Este efecto se asocia con un aumento de la expresión del ARN, de las subunidades alfa 1 y gamma 2 del receptor de GABA en ese nivel. En suma, las ratas que se mantuvieron por un período más prolongado junto a sus madres tienen —a través de múltiples mecanismos— una respuesta disminuida al estrés. Los mismos autores mostraron que el efecto en la cría de la separación prolongada de la madre, es exactamente el opuesto: éstas mostraron una respuesta exagerada al estrés48, aumento de los niveles de CRF en la amígdala, núcleo parvocelular del hipotálamo y locus coereleus49. Esta respuesta exagerada tuvo también un correlato conductual: las ratas separadas precozmente de sus madres presentan, siendo adultas, menores conductas de alimentación y exploración ante lo desconocido y mayores respuestas de sobresalto al estímulo acústico50. En el año , el grupo de Meaney publicó el mecanismo subyacente a la modificación selectiva de la expresión del gen de GR en estos animales, identificando una mayor expresión del gen de GR en el hipocampo, relacionado con mecanismos epigenéticos. CRF Factor liberador corticotropina en hipotáma J. A. Lozano

51 5 Los hábitos: el diálogo genoma-ambioma J. A. Lozano

52 5 Los hábitos: el diálogo genoma-ambioma¿Estrés oxidativo-ROS-epigenética? Un ejemplo: Epigenetic Changes Induced by ROS in….. Seung-Oe Lim et al Gastroenterology 2008;135:2128–2140 J. A. Lozano

53 Consecuencias fenotípicas5 Los hábitos: el diálogo genoma - ambioma La Epigenética se semeja a un sistema de "interruptores" genéticos que encienden y apagan los genes. El ambiente (nutrición, estrés, etc.) que la gente experimenta puede controlar estos interruptores y causar efectos hereditarios en los seres humanos. Conrad H. Waddington, Strategy of the Genes Nutrición Experiencias adversas Estrés Ambiente Contaminantes Venenos Otros Sucesos epigenómicos Consecuencias fenotípicas J. A. Lozano

54 5 Los hábitos: el diálogo genoma - ambioma Proyecto epigenoma humano Roadmap Epigenomics Project Inicio en el 2008 NIH; 190 millones de dólares Datos obtenidos en diferentes centros: coincidentes La metilación es el único parámetro genómico flexible que puede cambiar la función del genoma bajo la influencia exógena. De ahí que constituye el principal y hasta la fecha desconocido vínculo entre la genética, la enfermedad y el medio ambiente por lo que se piensa que puede jugar un papel decisivo en la etiología de casi todas las patologías humanas”. Human epigenome project “El Proyecto epigenoma humano tiene como objetivo identificar, catalogar e interpretar los patrones de metilación genómicos del ADN de todos los genes humanos en todos los tejidos principales”. La epigenética puede ayudar a explicar por qué nuestra secuencia genómica es más bien el comienzo del entendimiento de los genes que el final. J. A. Lozano

55 5 4.1 Epigenética y periodo postnatalLos hábitos: el diálogo genoma - ambioma 4.1 Epigenética y periodo postnatal Las células malignas presentan hipometilación global (20-60%) e hipermetilación local (islas CpG) y ambos sucesos son graduales Cáncer y epigenética Aplicabilidad diagnóstica y terapeútica Otras patologías Alzheimer Esquizofrenia En el mercado ya existen 5 fármacos epigenéticos J. A. Lozano

56 5 Los hábitos: el diálogo genoma - ambioma¡¡Guardianes de nuestro genoma!! Todos somos los guardianes de nuestro genoma" Marcus Pembrev Un ambiente favorable mejora la función y el estado redox de las células inmunitarias (en ratones) Profª. Mónica de la Fuente La vida de nuestros abuelos y de nuestros padres, el aire que respiraban, los alimentos que comieron, el medio en que se desenvolvieron, nos pueden afectar directamente, décadas más tarde, a pesar de nunca haber experimentando estas cosas nosotros Por ello, lo que nosotros hagamos en nuestra vida, a su vez, podría afectar a nuestros hijos y nietos futuros. J. A. Lozano

57 ASIMILAR Y APLICAR LOS NUEVOS CONOCIMIENTOS CIENTÍFICOS5 Los hábitos: el diálogo genoma - ambioma ASIMILAR Y APLICAR LOS NUEVOS CONOCIMIENTOS CIENTÍFICOS “Un nuevo mundo se está abriendo, uno que es mucho más complejo que el mundo genómico” “..Y los tres Magos de Oriente trajeron tres presentes: Gingseng, ginkgo biloba y resveratrol” J. A. Lozano

58 5 ¡¡¡ MÁS INVESTIGACIÓN!!! Los hábitos: el diálogo genoma - ambiomaLas preguntas finales: ¿Conocemos TODOS los mecanismos de modificaciones epigenéticas? ¿En cuántos procesos fisiopatológicos intervienen? ¿En qué niveles, desde el molecular al de organismo? ¿Con qué importancia relativa? ¿Cuáles serían las mejores recomendaciones epigenéticas para la madre durante la etapa prenatal, durante el embarazo? ¿Y, para todos, en la postnatal y educativa? ¿Cuál sería la mejor forma de preservar nuestro genoma para transmitirlo a nuestros descendientes? ¿Qué relaciones exactas existen entre Epigenética y enfermedades? ¿Podemos desarrollar terapias epigenéticas eficaces? etc., etc., etc……. De un modo especial, en el niño ¡¡¡ MÁS INVESTIGACIÓN!!!