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Regulación epigenética y el efecto del ambiente en el riesgo para el desarrollo de la DM2 - Dra. Ma. Teresa Tusie, MC Paola Vázquez -
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Regulación epigenética y el efecto del ambiente en el riesgo para el desarrollo de la DM2 - Dra. Ma. Teresa Tusie, MC Paola Vázquez -

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Memorias 2013 - Conferencia Científica Anual sobre Síndrome Metabólico 2013 -

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  • 1. Regulación epigenética y el efecto del ambiente en el riesgo para el desarrollo de DMT2 MC. Paola Vázquez Cárdenas Dra. Ma. Teresa Tusié Luna Agosto 15, 2013
  • 2. Epidemiología de la Diabetes Factores de riesgo modificables • Sobrepeso u obesidad • Inactividad física • Sedentarismo • Dieta • Tabaquismo • Hiperlipidemia • Hipertensión • Ambiente intrauterino* Factores de riesgo no modificables • Edad • Sexo • Etnicidad • Historia familiar de DT2 • Historia de GDM Chen, et al., Nature Reviews, 2012
  • 3. Fisiopatología de la DT2 Insulina Páncreas Tejido adiposo Hígado Músculo 2. Producción de glucosa 1. Lipólisis 3. Incorporación de glucosa Disfunción célula β DIABETES MELLITUS Resistencia a la insulina Ácidos grasos Glucosa sanguínea
  • 4. Genética de la DT2 Voight, et al., Nature, 2012
  • 5. Genética de la DT2 Figura 1.5. Localización de las proteínas codificadas por los genes asociados a la DT2 en la célula ática. Durante el ayuno, los niveles de glucosa basales oscilan entre 5-6 mM y la membrana de las células á polarizada ( -80 mV). Cuando la glucosa entra a la célula a través de su transportador GLUT2 y es metabolizada, aumenta el radio ARHGEF Glucosa Glucosa-6-fosfato Glucólisis Ciclo de Krebs Mitocondria Glucosa Transportador de glucosa (GLUT2) Canal de K+ sensible a ATP K+ Despolarización Ca2+ Secreción de insulina Receptor de insulina Glucosa Pozas intracelulares de Ca2+ Ca2+ Gránulos de insulina Retículo endoplásmico K+ ATPATP ADAMTS9 TSPAN8 NOTCH2 THADA CDC123 JAZF1
  • 6. Loci asociados a DT2 en población mestiza mexicana Gamboa, et al., Diabetes, 2012 Odds Ratio 1.0 1.5 UBQLNL TSPAN/LGR5 TCF7L2 SLC30A8 RORA RALGPS2 PPARG NXPH1 NOTCH2 KCNQ1 KCNJ11 JAZF1 IGF2BP2 HHEX FTO CDKN2A/2B CDKAL1 CDC123/CAMK1D ARHGEF11 ADAMTS9
  • 7. Genética de la DT2 Gráfico QQ residual para loci asociados a DT2 en población mestiza mexicana SIGMA consortium 2012, confidencial ~60 SNPs asociados a DT2 Efectos modestos: TCF7L2 (OR=1.7) 10% de la variabilidad explicada No más SNPs por descubrir Ubicados en secuencias no codificantes, muchos son factores de transcripción No son los alelos causales
  • 8. Ambiente Resistencia a la insulina Secreción de insulina Componente genético de las enfermedades complejas ¿? Waki, et al. Curr Diab Rep, 2012 Burdge GC. Annu Rev Nutr., 2010 Intrauterino Estilo de vida
  • 9. Epigenética • Definición: – Cambios heredables de la expresión génica que ocurren sin que se presenten modificaciones en la secuencia de DNA DNA Histonas Otras proteínas Cromatina Información que regula la expresión génica en respuesta a señales ambientales Rodríguez-Dorantes M, et al. Rev Invest Clin (2004) 1: 56-71
  • 10. Un genoma Epigenomas DNA Cromatina Información almacenada Información organizada Patrones epigenéticos tejido-específicos Modificables
  • 11. Mecanismos epigenéticos Mecanismos 1. Metilación de DNA 2. Modificación de histonas: Acetilación Metilación Fosforilación Otras 3. Complejos remodeladores de la cromatina ATP dependientes 4. Polycomb y Trithorax 5. RNAs no codificantes (lncRNA, miRNAs, siRNA) 6. Dinámica nuclear The American Association for Cancer Research Human Epigenome Task Force. Nature 2008;454:711-715 Matouk, C. C. et al. Circ Res 2008;102:873-887 TheAmericanAssociationforCancer ResearchHumanEpigenomeTaskForce andtheEuropeanUnion,Networkof Excellence,ScientificAdvisoryBoard It isnowpossibletodefinewholeepigenomes, representingthetotalityof epigeneticmarks inagivencell type.Epigeneticprocessesare essential for packagingandinterpretingthe genome,arefundamental tonormal develop- ment andareincreasinglyrecognizedasbeing involvedinhumandisease.Epigeneticmech- anismsinclude,amongother things,histone modification,positioningof histonevariants, nucleosomeremodelling,DNAmethylation, small andnon-codingRNAs(Fig.1).These mechanismsinteract withtranscriptionfac- torsandother DNA-bindingproteinstoregu- lategene-expressionpatternsinheritedfrom cell tocell.Thepatternsunderlieembryonic development,differentiationandcell identity, transitionsfromastemcell toacommittedcell andresponsestoenvironmental signalssuch ashormones, nutrients, stressand damage. Although epigenomicchangesareherit- ableinsomaticcells,drugtreatmentscould potentiallyreversethem.Thishassignificant implicationsfor theprevention, diagnosis andtreatment of major humandiseasesand for ageing. Diseasesto betargeted could includediabetes,cardiopulmonarydiseases, Rett syndrome,other neurological disorders, imprintingdisorders, autoimmunediseases andcancer,inwhichmisstepsinepigenetic programming have been directly impli- cated.Indeed,several inhibitorsof chroma- tin-modifyingenzymesincludinghistone deacetylase(HDAC) inhibitorsand DNA methyltransferase(DNMT) inhibitorshave nowbeen approvedbytheUSFoodandDrug Administrationor areinclinical trialswith good prognosisfor tumour regression.Epige- netictherapyisnowareality,but tomaximize thepotential of suchtherapeuticapproaches, thehuman epigenome, and we urge the AHEADproject istoprovidehigh-resolution humanepigenomeproject A plan to‘genomicize’ epigenomicsresearchand pavetheway for breakthroughsintheprevention, diagnosisand treatment of humandisease. c Me Me Me Me Ac Me Ac Me Me c g c g g Histones Chromosome Histone tails Chromatin remodeller Non-coding RNAs Transcription Figure1| Epigenetic mechanisms. Thecoding and structural information in thebasesequenceof DNA isorganized in chromatin to form multipleepigenomes. DNA cytosinemethylation and covalent modificationsof the tailsof histonesand histone variantscontributeinformation to nucleosomal remodelling machinesthat render genesand non-codingRNAssusceptible to transcription. Transcription factors(not shown) also play a major part in thecompetence and organization of the epigenome. TheAHEAD project will map epigeneticmarksin a defined set of epigenomes. Nature Reviews| Genetics Histone tail modifications Linker histone H2A.Z H2B H2A H3 H4 H3.3 Ac Ac Me H1 b Figure1| Nucleosome structure. a|Structureof anucleosomecoreparticle(front and sideview)2,131 .Histonesare shown inlight grey,and theDNAhelix isshown in darkgreywith apinkbackbone.Basic amino acids(lysineand arginine)within7Åof theDNAareshowninblueto emphasizetheelectrostatic contactsbetween theDNA phosphatesand thehistones. b|Aschematic of DNAwrapped around anucleosome.Examplesof histonetail modifications(Ac,acetylation;Me,methylation)and histonevariants(H2A.Zand H3.3)areshown.Arrowsindicatethe replacement of canonical histoneswith histonevariants.Part acourtesyof S.Tan,PennsylvaniaStateUniversity,USA. external stimuli or how misregulation of nucleosome positioningleadsto developmental defectsand cancer. Genomic organization of nucleosomes Until recently, it wasunclear whether deposition of his- toneson DNA duringDNA replicationoccursat random positions.Random deposition impliesthat nucleosomes lack positional cuesand that histonesaresimply DNA packaging proteinsthat areremoved and redeposited as DNA and RNA polymerases pass through them. Alternatively, individually positioned nucleosomes could takeon specificphysiological functionsdepending on wherethey residein thegenome. In thissection, we will discusshow cellsuseboth random deposition and specificpositioningof histonestoorganizenucleosomes. Thisunderstandinghasarisen through thedevelopment of technologiesthat haveallowed genome-widemap- ping of nucleosomepositioning; westart by describing thisprogressthen wediscussthegenomicpropertiesof nucleosomes. A brief historyof nucleosomecartography. In 2004, the yeast genesweredepletedof nucleosomescomparedwith other regionsof thegenome.However,higher-resolution nucleosomemapsclarified that geneactivation resulted in additional nucleosomedepletion5,7–11 . Furthermore, antibodiesthat werespecificfor individual histonepost- translational modificationsshowed that thepromoter regions of highly transcribed genes were particularly enrichedwithnucleosomesthat containedacetylatedand methylated histones12–14 .Thefunction of thesemodified histonesremainsan areaof activeresearch. By 2005, microarrayshad been developed that had shorter DNA probesand shorter probe–probegenomic distances, which provided higher resolution viewsof nucleosomes. However, printing technology limited the search space to small sections of small genomes. Nonetheless, thesearraysshowed that thenucleosomes at most genesare organized around the beginning of genesin basically thesameway15 :aNFRflanked bytwo well-positioned nucleosomes (the –1 and +1 nucleo- somes), which isfollowed by anucleosomal array that packagesthegene(FIG. 2).Thisbasicpattern hasalsoheld truefor metazoans16,17 . EWS
  • 12. Metilación del DNA Metilación de CpG en la posición 5 de la C + SAM DNMT DNA no metilado Expresión génica  Expresión génicaDNA metilado Gluckman PD. Nature Reviews Endocrinol. 2009, 5:401-408 Nafee TM: BJOG 2008, 115:158-168. P Exon 1 Exon 2 Exon 3 FT Pol Transcripción P Exon 1 Exon 2 Exon 3 Transcripción MeCP2 HMTHDACHistona Ac Histona Me Metilación del DNA
  • 13. Estado dinámico de metilación global del DNA durante el desarrollo Trofoectodermo Placenta Especialización de tejidos de capas germinales del embrión Mayor influencia del desarrollo placentario y nutrición materna Genes de imprinting
  • 14. Efecto dinámico de la dieta sobre la metilación del DNA + SAM DNMT MTHFR SNP 677C>T Efecto funcional: 677CT  35% 677TT  50-70% Alelo T en población mexicana: 36% - 48% Los portadores de la mutación C677T requieren 20% más ácido fólico que los sujetos normales Donadores de metilo • Ácido Fólico • Metionina Cofactores • B2,B6,B12 • Zinc MTHFR El ácido fólico participa como donador de grupos metilo en la reacción de metilación del DNA Feil,R. Nature Reviews Genetics, 2012
  • 15. Evidencias de influencias nutricionales sobre la metilación del DNA en el ratón agoutí • La alteración de la alimentación materna durante el embarazo afecta el fenotipo observado • Ingestas altas de donadores de metilo (ácido fólico, vitamina B12, colina y betaína)   la metilación Dieta control Suplementación con donadores de metilo o genisteina Exposición a Bisfenol A (BPA) Exposición a Bisfenol A (BPA) + suplementación con donadores de metilo o genisteína http://www.geneimprint.com Dolinoy et al., PNAS 104: 13056-13061, 2007
  • 16. El efecto del consumo de nutrimentos relacionados con el metabolismo de un solo carbono DG PP • Suplementación con ácido fólico • Suplementación con ácido fólico Insulina β 0.58 p 0.030 Glucosa β -0.085 p 0.055 HOMA-IR β 0.178 p 0.203 HOMA-B β 83.29 p 0.225 HOMA-S β -42.56 p 0.039 HOMA-S Β 1.702 p 0.04 Efecto dosis x tiempo. Mayor efecto observado en la dosis de 401 a 999 mcg **multivitamínico: efecto conjunto de ácido fólico con cofactores (vitamina B12) Suplementación temprana Suplementación tardía Insulina β -0.15 p 0.924 Glucosa β 0.22 p 0.073 Asociación del SNP C677T con parámetros de sensibilidad y resistencia a la insulina Variable Todos Dosis <1mg Dosis >1mg rs1801133 p rs1801133 p rs1801133 pAditivo Aditivo Aditivo OR/B coef. OR/B coef. OR/B coef. Glucosa en ayuno (sdg 24-28) 0.55 0.39 0.38 0.09 0.38 0.09 Glucosa postprandial 2 horas (sdg 24-28) -5.06 0.03* 2.54 0.02* -4.39 0.01* Insulina en ayuno (sdg 24-28) 0.43 0.33 -0.02 0.03* 0.41 0.02* Log Aditive Model ajustado por IMC pregestacional, hospital de referencia, inicio de suplementación.
  • 17. El efecto del consumo de nutrimentos relacionados con el metabolismo de un solo carbono Pourghassem B. Diabetes research and clinical practice 94 (2011) 33–38 1000 mcg
  • 18. 16 donadores cadavéricos 5 casos DT2 11 controles Similar grupo étnico, edad e IMC Volkmar, M. EMBO. 2012 Estrés del retículo endoplásmico
  • 19. Regulación de la cromatina en células β expuestas a IUGR: PDX1 PDX1 Factor de transcripción: • Desarrollo temprano del páncreas endocrino y exocrino • Diferenciación tardía de células β • Adecuada función de la célula β USF1 Factor de transcripción: • Activador de la transcripción de Pdx1 Ratas IUGR •  50% los niveles de mRNA de Pdx1 • Disminución persistente después del nacimiento In utero Nacimiento 2 semanas Adulto  Acetilación de H3 y H4 en promotor de Pdx1 Pérdida de unión de USF1 al promotor de Pdx1  mRNA de Pdx1 Progresión de desacetilación de histonas  Trimetilación de H3K4  Dimetilación de H3K9  mRNA de Pdx1 Alteraciones en niveles glucosa Estrés oxidante Posible reversión de la desacetilación Normalización permanente de niveles de mRNA de Pdx1  Dimetilación H3K9 Metilación de DNA de novo Cierre/Silenciamiento de la región del promotor de Pdx1 Diabetes Hiperglucemia Estrés oxidante Diabetes
  • 20. Rata Knock out de Pdx1: agenesia pancreática Pdx +/-: desarrollo normal de masa β pancreática, desacople en GSIS Humano Mutaciones homocigas: agenesia pancreática Diabetes, ¿cómo? Exendina-4 Factor de transcripción: •  expresión de Pdx1 en recién nacido previniendo desarrollo de DM en rata IUGR • Islotes de ratas IUGR con tx exendina-4  fosforilación de USF1  asociación USF1-PCAF en promotor de Pdx1  actividad acetiltransferasa de histonas (HAT) Permanente aumento en acetilación de H3 Permanente trimetilación de H3K4 Previene metilación de DNA Reversión, ¿cómo? Pinney, et al., Curr Diab Rep, 2012
  • 21. Remodelamiento de cromatina en locus de riesgo: TCF7L2 Desacople en la secreción de la insulina, mediado por hormonas intestinales (GLP-1) Loci más consistente y con mayor significancia estadística en estudios caso/control: • rs7903146 (C/T) • Intrón 3, ningún otro SNP en LD • Portadores:  mRNA TCF7L2 en islotes pancreáticos Portadores del alelo T de riesgo presentan una cromatina más abierta Ganancia de función asociada al alelo de riesgo T, aumento de la actividad transcripcional de TCF7L2 Groop, et al., Nature Genetics, 2010
  • 22. RNAs no codificantes ncRNAs pequeños (18-200 nt) ncRNAs largos (200 nt-1000 kb) miRNAs Tamaño: 18-24 nt Transcritos por RNA Pol II y III siRNAs Tamaño: 20-24 nt Transcritos por RNA Pol II piRNAs Tamaño: 24-30 nt Transcritos por RNA Pol II IntrónicosTranscripción Pri-miRNA procesamiento NÚCLEOCITOPLASMA Pre-miRNA Dicer miRNA 5’ RISC Represión traduccional o activación de mRNA Transcripción Bi-direccional ó ó siRNA 5’ PTGS: Degradación de mRNA DRC1 RITS TGS: Modificaciones en cromatina Transcripción Bidireccional en cluster ¿procesamiento? piRNAs PIWI Regulación epigenética Control de transposones Dicer Drosha Mutación en un gen codificante de proteína que modifique el marco de lectura Rearreglos cromosómicos Duplicaciones ncRNA pequeño ncRNA largo Inserción de transposon que contiene un sitio de inicio de la transcripciión Ponting CP. 2009 Posibles orígenes de los lncRNAs lncRNAs Tamaño: >200nt Transcritos por RNA Pol II y III Mecanismos de acción descritos para los lncRNAs Regulación en cis Regulación en trans Guttman M, Rinn J. 2012 Anzuelo Modificación Alostérica Collins L, 2011 Collins L, 2011 Collins L, 2011
  • 23. miRNAs Diabetes y Obesidad
  • 24. Dieta baja en proteínas Metilación del DNA Receptor de angiotensina (glándula adrenal; ratón) Npy, Cart, Pomc (cerebro; rata) Leptina (tejido adiposo; ratón) PPARa, LXRa (hígado; ratón) *Revierte con ácido fólico Dieta alta en grasas Metilación del DNA Genes asociados a dopamina y opioides (cerebro; ratón) Cdkn1a (hígado; rata) Consumo inadecuado de energía Metilación del DNA IL10, LEP, ABCA1, GNASAS, MEG3, IGF2 (humano) HNF4A (humano) BOLA3, FLJ20433, PAX8, SLITRK1, ZFYVE28 (humano) RXRa, eNOS (humano) Modificaciones de histonas Pdx1 (célula beta; rata) Glut4 (músculo esquelético; rata) Dusp5, IGF1 (hígado, hipocampo; rata) 11-b-DH (riñón; rata) PPARg (pulmón; rata) Exceso de alimentación neonatal Metilación del DNA POMC (hipotálamo; rata) Receptor de insulina (cerebro; rata) TACSTD2 (humano) Dieta alta en grasa Metilación del DNA Sistema de neurotransmisores (cerebro; rata) Múltiples genes en F2 (células b; rata) Restricción calórica Metilación del DNA H-ras (rata) RUNX (humano) P16 (humano) ATP10A, WT1, TNFa (tejido adiposo; humano) Modificaciones de histonas p16INK4 (humano) hTERT (humano) Cambios mediados por SIRT1 (FOXO, PGC1A, HDAC1, etc; ratón, rata). Crecimiento fetal Crecimiento Neonatal Nacimiento Ablactación Lactancia Adulto Consumo de ácido fólico Metilación del DNA IGF2 (humano) Evidencia de la influencia de factores dietarios involucrados en la regulación epigenética del metabolismo en distintas etapas de la vida en mamíferos