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El concepto darwiniano de la allostasis. Epignesis
Ana M Pascual-Leone Pascual
Acadmica de Nmero de la Real Academia Nacional de Farmacia
e-mail: anamariapascualleone@gmail.com
Recibido el jueves 5 de octubre de 2014 An. Real Acad. Farm. Vol. 80, N 3 (2014), pag. 466-499.
resumen
El concepto de allostasis fu establecido a finales del siglo pasado como el conjunto de respuestas de los organismos vivos, regidas por el cerebro, para conservar su equilibrio interno y, por tanto, su supervivencia. Pero todo ello tiene resonancias Darwinianas . Cuestiones establecidas en el siglo XX. El axis HPA – hipotlamo –pituitaria-adrenal- es el ms importante entre todos los sistemas movilizados por la allostasis. Y este axis se programa en periodo gestacional en los mamferos. Cuando circunstancias de estrs maternal activan su axis HPA, grandes cantidades de glucocorticoides (GC) pasan al feto, y su axis HPA se programa de forma anmala, e irreversible en periodo adulto, adems, se reduce el peso al nacimiento. Y todo ello es factor de riesgo de posibles patologas adultas (diabetes 2, cardiovasculares o hipertensin crnica). La causa es la reduccin de receptores de glucocorticoides (GR) en el hipocampo, ya que ellos ejercen una accin tnica en la retroalimentacin negativa del axis HPA. Sin embargo, se desconoca, en el siglo XX, por qu mecanismo los GC reducen la expresin de GR en hipocampo. Cuestiones establecidas en siglo XXI. Se eligen y exponen una serie de trabajos publicados en el siglo XXI sobre esta vertiente que nos han llevado al conocimiento de que la reduccin en hipocampo de los GR se produce por un mecanismo epigentico. Sucintamente, se enumeran los principales mecanismos epigenticos conocidos.Finalmente, se enuncian las grandes posibilidades teraputicas que abren estos mecanismos epigenticos para el futuro y para la posible explicacin de procesos evolutivos |
Palabras clave: Allostasis; periodo gestacional; axis HPA; epignesis; Darwin.
abstract
The Darwinian concept of allostasis. Epigenetic programming
Keywords: Allostasis; gestational period; HPA axis; epigenetic programming; Darwin.
1. INTRODUCciN
El concepto de allostasis, establecido a finales del siglo XX, recoge el conjunto de sistemas que se activan en los organismos vivos, regidos por el cerebro, para conservar el equilibrio interno y, por tanto, la supervivencia. Todo ello cuando factores externos al organismo, o internos a l, alteran su homeostasis provocando un estado de emergencia. Los factores internos que producen el desequilibrio pueden ser un aumento de pH, de temperatura, una infeccin, etc., y los externos pueden ser una alteracin climtica, falta de comida, o un depredador que nos ataca. Y todas las respuestas que los organismos habilitan, con fines de supervivencia, se han englobado hoy en el concepto de allostasis y se ha mostrado que estn dirigidos y modulados a nivel cerebral (1). Los principales sistemas que el organismo activa son los siguientes:
El metabolismo o balance energtico.
Se activa el axis HPA con salida masiva a plasma de glucocorticoides.
Aumenta el estrs oxidativo.
Se deprime el sistema inmune.
Se alteran procesos cognitivos o emocionales por la remodelacin de estructuras hipocampales en colaboracin con la amgdala.
Alteraciones del sueo.
Son movilizados a nivel cerebral. Pero, siendo todos muy importantes, el que ocupa un lugar central es la activacin del axis hipotlamo ‑hipfisis- corteza suprarrenal (axis HPA en la bibliografa cientfica anglosajona), con la consiguiente salida a plasma de niveles altos de glucocorticoides. Cuestin ya denunciada por Selye en 1936 cuando habl del sndrome general de adaptacin en un estado de emergencia o estrs, trmino, este ltimo, tambin acuado por l (2).
Y todo este concepto de allostasis, recientemente establecido, tiene resonancias darwinianas y ha sido considerado as por diversos autores, algunos tan significativos como Mc Ewen (3).
Estamos queriendo destacar pues, que cuando Charles Darwin en el siglo XIX escribi con su gran inteligencia y dotes de observacin, el Origen de las Especies, y estableci que la evolucin se produca por una seleccin natural, no exista ningn conocimiento, en los seres vivos, ni a nivel fisiolgico, ni a nivel molecular, para realizar y explicar dicha seleccin natural.
En el siglo XXI comenzamos a vislumbrar mecanismos, recientemente establecidos, con los cuales se podra realizar esa seleccin natural que tan creativamente concibi Darwin en el siglo XIX.
2. trabajos del siglo XX
Por trabajos realizados en el siglo XX, se estableci que el axis HPA se programa en periodo gestante en los mamferos. Y que la malnutricin materna, el estrs de la madre, o ciertos desequilibrios hormonales de ella pueden ser la causa de una programacin anmala del axis en periodo fetal y con consecuencias patolgicas posteriores en periodo adulto (4,5).
Las principales cuestiones establecidas durante el siglo XX, fueron:
El axis HPA se programa durante la gestacin de forma irreversible en periodo adulto.
La malnutricin de la madre gestante, su estres psico- social o una infeccin; activan el axis HPA maternal y pasan cantidades grandes de glucocorticoides de la madre al feto que retardan su crecimiento y programan mal su axis HPA.
Tanto los nios nacidos pequeos asi como un axis programado de forma anmala son un factor de riesgo de padecer en adulto las patologias comprendidas dentro del sindrome metablico.
El denominador comn de dichas alteraciones–retardo de crecimiento fetal y mal programacin del axis- parece ser la llegada en grandes cantidades de glucocorticoides al feto.
Estas patologas posteriores de adulto son las comprendidas en el llamado sndrome metablico, es decir, alteraciones cardiovasculares, diabetes 2 e hipertensin, y todas ellas son, adems, muy frecuentes en las sociedades actuales.
Por otra parte, estudios clnicos de estas patologas as como estudios epidemiolgicos en humano (6-8) han mostrado que una mala programacin de dicho axis acompaa, en periodo adulto, a la manifestacin de dichas patologas.
Pero, adems, estudios epidemiolgicos en humano (9,10) mostraron que los neonatos pequeos al nacimiento, los que son pequeos para su edad gestacional (llamados nios SAG o small for gestational age en la literatura anglosajona) sin ninguna causa que lo justifique son un factor de riesgo para padecer en adulto las mismas patologas comprendidas en el sndrome metablico anteriormente descritas y esos nios se conoce y se ha establecido que tienen un axis HPA programado de forma anmala. Pero no son factor de dicho riesgo los nios nacidos pequeos porque sean prematuros nios AGA –appropiate for their gestational age- ni tampoco los nios nacidos pequeos por causas conocidas llamados en el mundo anglosajn nios IUGR (intrauterine growth retardation). Todo ello fue absolutamente establecido en el siglo XX por estudios epidemiolgicos en humano, as como por investigaciones bsicas de eminentes investigadores como Hales, Barker o Gluckman (10-13).
Pero, antes de seguir adelante y adentrarnos en las investigaciones sobre esta temtica en el siglo XXI, cabe preguntarse en que consiste esta programacin anmala del axis hipotlamo –hipsisis – adrenal (HPA).
Un axis HPA anmalo es aquel en el cual la retroalimentacin negativa que las hormonas perifricas ejercen, en este caso corticoides, a nivel de hipotlamo y a nivel de hipfisis, se realiza mal. Y en ese caso hay una exagerada produccin de hormonas perifricas, corticoides circulantes, en el HPA. Esta programacin anmala fetal se produce cuando por malnutricin, estrs psicosocial o desequilibrios hormonales de la madre gestante pasan al feto masivamente corticoides maternales.
Todos los axis endocrinos funcionan igual. Las hormonas hipotalmicas descienden por el sistema porta a la hipfisis y sta, a su vez, enva a las glndulas perifricas la correspondiente hormona hipofisaria que, finalmente, estimula en la glndula perifrica la hormona: gonadal, tiroidea o adrenal, segn consideremos axis gonadal, tiroideo o HPA. Por ello, en todos los axis endocrinos es muy necesario dicho taponamiento o retroalimentacin negativa a nivel hipotalmico e hipofisario para que el axis no funcione desmedidamente y suban de forma continuada y exagerada los niveles de hormonas gonadales, tiroideos o adrenales en plasma (figura 1).
Figura 1.- Programacin prenatal: A) axis bien programado con muchos receptores de glucocorticoides GR en hipocampo. B) axis anmalo con escasez de GR en hipocampo ver texto HPA (hipotlamo-pituitaria-adrenal).Esquema modificado de referencia (23).
Pero ello es muy importante en el axis HPA, ya que existe una gran cantidad de receptores de hormonas adrenales en rganos vitales del organismo: pncreas, hgado, sistema esqueltico etc. y, ello podra tener efectos devastadores para el organismo. Las conclusiones de las investigaciones sobre esta temtica durante el siglo XX establecieron, como se muestra en la figura1A, que un axis HPA bien programado es el que tiene cantidades grandes de receptores de corticoides GR, de cortisol en humano, en su hipocampo. Mientras un axis mal programado es el que tiene (figura 1B) escasez de receptores GR hipocampales, porque tambin se estableci en el siglo XX, que los receptores hipocampales tienen una accin tnica muy importante en la regulacin del axis HPA, regulando la descrita retroalimentacin negativa.
En la figura 2 puede verse cmo y porqu se programa de forma anmala el axis HPA segn los conocimientos actuales.
Figura 2.- Estrs, fumar, malnutricin maternal, activan el axis HPA de la madre gestante. Cantidad de glucocorticoides (GC) maternales modifican el ambiente placental: vasos decrecidos, poco paso de nutrientes, reducida secrecin de actividad enzimtica 11bHSD-2 que inactiva los GC maternales en placenta. Todo ello, altera el ambiente fetal: bajo crecimiento, adaptacin a malas condiciones, alteracin de SNC y finalmente alteraciones genticas, como veremos. Lo mismo se produce por administracin masiva de glucocorticoides a la madre que pasarn a la placenta, parte central de la grfica. Ello producir un fenotipo adulto con riesgo de enfermedades cuya aparicin depende del estilo de vida del adulto, de su ambiente postnatal Esquema remodelado de referencia (23). Modificada de Cottrell, C. and Seckl, J. Frontiers in Behavioral Neuroscience, 3: 1 – 9. 2009.
Pero cmo lo hacen?, por qu mecanismo la llegada masiva de glucocorticoides maternales disminuye los correspondientes receptores en el hipocampo en periodo fetal ?
Y todo ello, dado el inters clnico de la cuestin, ha sido abordado e investigado durante el siglo XXI.
3. TRABAJOS REALIZADOS EN EL SIGLO XXI
A partir de 2004 -2005 comenzaron a publicarse muchos trabajos sobre esta temtica bajo la luz de los conocimientos actuales y por la presin clnica que supone el hecho de que las patologas comprendidas en el sndrome metablico se manifiestan con enorme frecuencia en las sociedades actuales.
As pues, se reemprendi el estudio de la programacin del axis HPA en periodos gestacionales ya que estaba claro que las causas de malnutricin o desequilibrios hormonales de la madre gestante tienen como denominador comn la llegada masiva de glucocorticoides de la madre al feto, y como consecuencia se produce un mal crecimiento fetal. Pero, adems, los estudios neonatolgicos sobre el desarrollo de mamferos muestran que durante la gestacin el 80% de los glucocorticoides fetales son de origen maternal ya que hasta el final de ella el axis HPA fetal no es funcional. Sin embargo, al final de la gestacin este axis fetal funciona activamente ya que los glucocorticoides fetales son necesarios para la preparacin del parto y para estimular y finalizar la gran maduracin y diferenciacin de rganos fetales que van a ser imprescindibles al neonato en su vida extrauterina.
Para describir el nivel de conocimiento a que hemos llegado actualmente, en esta vertiente temtica, en primer lugar, vamos a hablar de los trabajos publicados en 2013 por departamentos de obstetricia, y sus correspondientes grupos de investigacin de Berln, Australia y Canad (14). Estos autores, partiendo de una visin fisiolgica del tema estudian in vivo e in vitro, con tecnologas y conocimientos actuales, las causas y circunstancias por las cuales la malnutricin materna o su estrs psicosocial y sus desequilibrios hormonales provocan la programacin de forma anmala del axis HPA, en los mamferos, durante el periodo fetal. Todo ello debido a que dichas situaciones producen en la madre gestante una subida de los glucocorticoides maternales, por la activacin de su propio axis HPA ante esas situaciones de emergencia, y esos glucocorticoides maternales pasan al feto, como ocurre, tambin en el caso de hiperinsulinemia maternal por diabetes gestacional (figura 3).
Estos autores, adems, estn motivados en sus investigaciones por su conocimiento de que en la clnica se siguen utilizando la dexametasona y la betametasona para la prevencin de partos prematuros o en casos de asma maternal (15), as como por la sospecha de una hiperplasia adrenal congnita en los fetos hembra. Y, adems, existen publicaciones que denuncian alteraciones cognitivas de aprendizaje y problemas de conducta, en nios cuya madre fue tratada con dichos glucocorticoides de sntesis en su gestacin (16).
Figura 3.- Condiciones de estrs maternal activan el HPA de la madre. El cortisol maternal pasa a placenta y altera la morfologa y el tamao placental. Se modifican y reducen las secreciones en placenta que son muchas y todas dedicadas al crecimiento del feto. En placenta y en tejidos fetales hay desde el principio de la gestacin cantidades de receptores de glucocorticoides GR. Modificada de referencia (14).
En este estudio utilizan un modelo en oveja in vivo (figura 4). La oveja nace ms madura que el hombre en cuanto a su SNC, pero su corticoide fisiolgico es el cortisol como en el hombre y no la corticosterona como en las ratas, por ello consideran la oveja muy adecuada para estos estudios.
En sus conclusiones, establecen que un subptimo ambiente fetal est totalmente asociado a riesgo de patologas del sndrome metablico: hipertensin, diabetes 2, obesidad y alteraciones cardiovasculares, adems de peso reducido al nacimiento en los SAG –nios con pequeo peso para su edad gestacional –, como hemos dicho. Constatan que al final de la gestacin existe, en todas las especies de mamferos, una elevacin en hipotlamo del mRNA de CRH –hormona corticotropa hipotalmica- y cuando se activa el axis HPA el mRNA de la molcula POMC (proopiomelanocortina) aumenta en hipfisis, ya que es la POMC la molcula de que deriva el ACTH, hormona hipofisaria corticotropa. A su vez, la llegada de ACTH a la corteza adrenal supone el aumento de secrecin de cortisol en humano y en oveja en la corteza adrenal.
Figura 4.- Efecto del tratamiento antenatal con glucocorticoides en oveja. Inyeccin in vivo de cortisol, por va intraperitoneal, a una oveja gestante donde se destacan las grandes alteraciones en la estructura placentaria y como consecuencia la reduccin de la secrecin de lactgeno placentario (PL) por disminucin de clulas binucleares BNC –estudio histolgico en el centro.-que son las que secretan PL. Modificada de referencia (14).
Estos autores sealan que es la llegada masiva de glucocorticoides maternales al feto lo que produce una programacin anmala del axis HPA y tambin restriccin de crecimiento en los fetos en los SAG, como hemos dicho. Son los glucocorticoides maternales en altos niveles los que por una parte programan mal el HPA y por otra producen una mala diferenciacin de rganos y sistemas que llevaron a Hales en 2001 a lanzar la hiptesis del fenotipo ahorrativo en periodo adulto (6,10,11). Y el resultado de la llegada de altos niveles maternales de glucocorticoides al feto depende de la clase de glucocorticoide y del periodo gestacional en el que se produce.
En ese artculo se destaca grandemente la importancia de la placenta en estas cuestiones y, en general, para la regulacin del crecimiento fetal (figura 3). Porque la placenta no es un mero rgano para transportar nutrientes, es una glndula secretora. En la placenta se secretan hormonas con estructura polipeptdica parecida a las hormonas hipotalmicas, y tambin hormonas, glicoprotenas, parecidas a las hormonas hipofisarias, como el lactgeno placentario (PL). Las clulas placentarias, los trofoblastos, fundamentalmente los sintiotrofoblastos tienen todas las caractersticas de clulas secretoras (17) Tambin se expresan en la placenta transportadores de glucosa como el Clut 1 y 3 y se secreta la actividad enzimtica 11-beta hidroxiesteroide deshidrogenasa 2 (11b-HSD-2), actividad capital para regular el paso de glucocorticoides activos al feto desde la madre (figura 3). Esta actividad es una barrera placentaria para inactivar los glucocorticoides activos a inactivos es una deshidrogenasa. Y existe una correlacin positiva entre el peso fetal y dicha actividad enzimtica en placenta y en tejidos fetales (4).
La placenta tambin secreta el factor de crecimiento similar a la insulina (IGF-1) que es considerado la hormona de crecimiento fetal. Existe una correlacin positiva muy alta entre los niveles fetales de IGF-1 y el crecimiento fetal. En nuestro grupo de trabajo fue un tema muy estudiado (18-20)
Realmente, se puede decir que la placenta representa la unin del feto con el medio exterior y es capaz, por sus secreciones y por propiciar la llegada de nutrientes, de suplir al organismo fetal y regular su crecimiento en cuestiones que despus del nacimiento harn los rganos ya formados del neonato, como riones, pulmones, glndulas endocrinas y tracto gastrointestinal neonatal. La placenta, de muchas formas, modula el ambiente de crecimiento del feto. y su homeostasis.
Estos autores destacan en su trabajo la necesidad de ahondar en el estudio placentar (figura 4).
En su modelo de oveja, inyectan intraperitonealmente in vivo a la madre gestante glucocorticoides (figura 4) y observan elevacin de la presin arterial en la madre y la restriccin del crecimiento en el feto, adems de modificaciones en la regulacin de su axis HPA, con alteraciones de la tolerancia a la glucosa en su etapa adulta. Aducen que ello ha sido probado en macacos, ovejas, ratas y humanos, y que todo ello llev a la creacin en 2003, en el Reino Unido, de la Sociedad Internacional durante el Desarrollo de la Salud y la Enfermedad–International Society for the Developmental Origin of Health and Disease ((DOHaD) (10).
En su trabajo resaltan el hecho de que a pesar de que durante el periodo gestante de los mamferos el glucocorticoide circulante es de origen maternal, y sus niveles no son altos, ya que, solamente, al fin de la gestacin se produce una gran elevacin de glucocorticoides circulantes en el feto debido al funcionamiento del axis fetal (figuras 3 y 4 ). Sin embargo, durante toda la gestacin existe una gran cantidad de receptores de glucocorticoides tanto en la placenta como en los tejidos fetales desde el principio hasta el fin del periodo gestacional. Hoy se sabe que los knock out, los animales que no expresan dichos receptores GR por manipulacin gentica, no crecen, no prosperan, y los transgnicos en los que se reduce el 30-50 por cien los GR tienen un axis HPA mal programado. En su trabajo destacan, en sus experimentos in vivo inyectando glucocorticoides a la oveja (figura 4), cmo la llegada de corticoides a la placenta, por una parte, modifica y desestructura la formacin de tejidos y capas celulares placentarias y, por otra, disminuyen en placenta, secreciones como el lactgeno placentario (PL). El PL tiene, adems, acciones en la madre gestante adaptando su metabolismo para que disponga de nutrientes. Y, en placenta estimula la secrecin de IGF-I que, como hemos dicho, es la hormona de crecimiento fetal. El PL es somatotropo; estimula la toma de aminocidos por la placenta y tambin la sntesis de glucgeno.
Pero el lactgeno placentario es producido en la placenta por clulas placentarias, trofoblastos binucleados, llamadas clulas BNC, y el nmero de ellas sube al final de la gestacin. Sin embargo, la llegada masiva de glucocorticoides maternales a la placenta baja el nmero de BNC y remodela de forma anmala las capas celulares placentarias (figura 4) (14). Todo lo cual indica que la llegada de glucocorticoides maternales a la placenta, en grandes cantidades, tendr como resultado, por una parte, una mala adaptacin metablica maternal, que impedir que disponga la madre de los nutrientes necesarios para el feto por la disminucin de secrecin placentaria PL, y, por otra parte, disminuir la secrecin del IGF-I placentario que es estimulada en la placenta por dicha secrecin PL, todo lo cual tendr como consecuencia la disminucin del crecimiento fetal. Por ello, estos autores remarcan, con sus resultados, el inters de aumentar las investigaciones placentarias en curso.
Tambin en la placenta se secreta el CRH –hormona hipotalmica del axis HPA- la cual es regulada al alza por el cortisol y las citoquinas, y tiene acciones sobre el miometrio (14). Es un vasodilatador aumentando el paso de nutrientes por la placenta y tiene acciones en la amgdala porque existen sus receptores en ella Por ello, creen que el aumento en la placenta de CRH, por la llegada de glucocorticoides, parece implicar al CRH en las alteraciones emocionales que presentaran posteriormente los nios con axis HPA mal programado en etapa fetal (14), ya que la amgdala, en los mamferos, controla las emociones y se le ha llamado cerebro emocional
Hay que remarcar antes de seguir adelante las grandes aportaciones de los autores de este trabajo a esta temtica. Trabajos realizados, adems, desde una perspectiva fisiolgica y muchas veces clnica (21,22)
La concepcin actual de cmo y de qu forma se programa de forma anmala el axis HPA en los mamferos viene expuesta y explicada en la figura 2 (23).
Hoy se sabe que los receptores de glucorticoides GR se codifican en el exn 2-9 del promotor de GR y que la llegada masiva de glucorticoides baja los GR en el hipocampo, pero la gran pregunta es: por qu mecanismo? cmo lo hacen?
Para contestar a estas cuestiones y muchas otras, ya en el siglo XX se enunci y se comenz a hablar de la epignesis, cuyos principales logros, fueron:
1939 Waddington. La epigenesis son las interacciones causales entre los genes y sus productos de los cuales resulta el fenotipo.
1995 Razin A. , Shemer R . DNA methylationin early development. Hum. Mol. Genet. 4:1751 -1755.
1998 Razin A. CpG methylation, chromatine structure and gene silencing: three way connection. Embo.Journal 17:4905-08.
1980 RazinA. DNA methylation and gene function. Science 210: 604-610.
4. EPIGNESIS
Waddington en 1939 defini la epignesis como las interacciones causales entre los genes y sus productos de los cuales resulta el fenotipo. Y se publicaron importantes trabajos que aportaron un cmulo de conocimientos sobre el tema (24-27).
Pero nosotros nos vamos a referir a los trabajos, absolutamente remarcables y rigurosos, del grupo de Michel Meaney en la Universidad Mc. Gill, en Montreal, Canad, publicados ya en el siglo XXI, por la gran cantidad de conocimiento que han aportado tanto en sus trabajos del 2004 como los publicados en 2008 (28,29).
El Dr. Michell Meaney es Profesor de Medicina de Douglas Hospital Research Centre de la Universidad Mc Gill en Montreal, una de las ms prestigiosas universidades de Canad, y ha sido Director del Proyecto sobre Neurodesarrollo, Vulnerabilidad y Adversidad Maternal.
Ya en el ao 2000 (30) dicho grupo observ que haba dos tipos de comportamiento de la madre en las camadas de rata. Existen madres que se comportan con cario y con mimos y ayudan en la lactancia a sus cras con lamidas, etc., mientras otras rechazan a sus neonatos y los arrojan con patadas y sin ninguna caricia. Pero estos autores dejaron crecer hasta adulto a las cras procedentes de ambos tipos de madres y observaron que las ratas ms mimadas por su madre eran ms aptas, en periodo adulto, para el aprendizaje de cuestiones regidas a nivel de hipocampo como son los aprendizajes con un componente espacial (5). Entonces midieron la expresin de factores neurotrficos en dicho rgano y la activacin de determinados receptores en el hipocampo y concluyeron que los animales que fueron cuidados por su madre tienen activada la sinaptognesis hipocampal.
En el ao 2004 publicado en Nature Neuroscience (28) estudian, en este mismo modelo, el hecho de que los descendientes adultos de madres cuidadoras tienen un axis HPA bien regulado y no presentan, desde su nacimiento hasta el estadio adulto, cuadros de ansiedad ante el estrs. Mientras que sucede lo contrario en los descendientes de madre poco cuidadoras. Pero para que, entre ambas situaciones, haya dicha diferencia tiene que haberla en la programacin del axis HPA. Imaginan que, quiz, el cuidado materno en la edad temprana, ha alterado el nmero de receptores de glucocorticoides (GR) en su hipocampo. Piensan que las caricias maternas han aumentado el nmero de receptores.
Lo primero que abordan es esclarecer si puede haber alguna diferencia gentica entre las cras de ambos tipos de camadas trasmitida por va maternal Para ello cruzan a las doce horas del nacimiento cras de una camada con la otra (figura 5).
Figura 5.- Muestra de cmo a las 12 horas del nacimiento introducen cras de una camada en otra camada cuya madre se comporta de forma distinta, en periodo lactante, a su madre biolgica. Comprueban que las diferencias encontradas en el funcionamiento del axis HPA y su comportamiento ante el estrs, es debido al trato recibido en la lactancia y no a ninguna transmisin gentica hecha por su madre biolgica.Grfica sugerida y reformada de citas (28,29)
Introducen a las 12 horas del nacimiento cras nacidas de una madre en la otra, para que sean criadas en distintas condiciones en el periodo lactante. De esa forma comprueban que los adultos procedentes de una madre cuidadora se comportan todos igual en cuanto a su axis HPA y situaciones de estrs, teniendo un axis bien programado aunque, parte de ellos, hayan nacido de la madre arisca y, exactamente, lo mismo sucede con los criados por la madre no cuidadora. Descartando as, que la diferencia de programacin del axis HPA fuera debida a alguna transmisin gentica diferencial hecha por su madre biolgica.
Estos autores basndose en conceptos epigenticos, recientemente establecidos (figura 6) piensan que son los estmulos sensoriales de las caricias de la madre los que han producido una alteracin qumica en dinucletidos del ADN en el gen que expresa receptores de glucocorticoides en el hipocampo.
Figura 6.- En la parte superior: enunciado de cuestiones epigenticas establecidas desde finales del siglo XX. En la parte inferior: hiptesis de trabajo de Meaney y colaboradores: las caricias de la madre lactante o las no caricias, parecen producir cambios estructurales en el ADN de determinados genes en sus cras, lo que llaman la qumica del ADN.
En trabajos anteriores del grupo de Meaney (31,32) haban concluido que solamente quince minutos de manoseo y caricias a las cras a partir de los seis primeros das de vida, durante aproximadamente dos semanas, aumentaba, permanentemente, los receptores de glucocorticoides hipocampales GR, lo que potenciaba la sensibilidad de la retroalimentacin negativa en el axis HPA y bajaba, en trabajos in vivo, el nivel de glucocorticoides circulantes cuando se activa dicho axis. Es decir da como resultado un axis programado de forma normal. Tambin, en trabajos por manoseo y caricias de ratas neonatales los primeros das de vida haban encontrado implicada en estas cuestiones a la serotonina y su receptor tipo 2 con la regulacin de la expresin en hipocampo del receptor de glucocorticoides GR. pero siempre en presencia de hormonas tiroideas(33). Y todo ello haba sido hallado in vivo en neuronas hipocampales neonatales y adultas por otros autores (34) Por ltimo hoy tambin se sabe (14) que la dexametasona incrementa en el cerebro de rata el transportador de serotonina.
Con todos estos antecedentes ellos, in vitro, inducen la expresin en neuronas hipocampales de la expresin del receptor de GR con serotonina. La induccin de serotonina requiere la presencia de hormonas tiroideas (figura 7) que se elevan por el manoseo de las cras en ratas y cobayas (34).
Figura 7.- Efecto in vitro de 5-HT sobre la expresin de GR en el cultivo de neuronas hipocampales. El efecto de 5-HT es completamente bloqueado por inhibir la unin de NGFI-A. Esquema extrado y modificado de los trabajos in vitro del grupo de Meaney, referencias (28 y 30) que ratifican sus estudios in vivo. En cultivo de neuronas hipocampales la introduccin de serotonina (5-HT) induce un receptor de serotonina acoplado a c-AMP y sus asociadas protein quinasas (PKA)que reclutan un factor de transcripcin NGFI-A el cual debe fijarse al gen que expresa receptores de glucocorticoides (GR) en el hipocampo para expresar o no expresar GR.
En esta activacin serotoninrgica est implicado un subtipo de receptor serotoninergico que acta acoplado al cAMP y con las enzimas protein quinasas dependientes de cAMP (acido adenosin monofosfrico). Por ello el efecto de la serotonina puede ser mimetizado por el cAMP o sus anlogos.
In vivo, observan que el manoseo estimula el cAMP, el cual recluta un factor de transcripcin especfico el NGFI-A, factor de crecimiento nervioso inductor de protena A, y tambin otro factor de transcripcin el AP-2, los cuales se tienen que unir a la secuencia consenso del promotor del gen del receptor de glucocorticoides GR para que tenga lugar la transcripcin y, por tanto, la expresin del gen del receptor de glucocorticoides con el consiguiente aumento de dichos receptores GR en el hipocampo (28).
As que lo que ellos establecen es que las caricias de la madre rata ascienden por va serotoninrgica desde el nucleo raphe cerebral, donde se segrega la serotonina, al hipocampo. La induccin de serotonina, para aumentar la transcripcin en el promotor del gen que expresa receptores de GR, require la presencia de hormonas tiroideas y, en la accin serotoninrgica, acta un subtipo de receptor de serotonina regulado por corticoides. Por ello la transcripcin o no en el gen que expresa receptores de glucocorticoides depende de la fijacin o no del factor de transcripcin NGFI-A a su secuencia consenso en el promotor del gen de GR.
Estos investigadores supusieron que dicha fijacin parece producirse de forma diferente en las cras procedentes de madres cuidadoras con respecto a las no cuidadoras, ya que son las cras de madre cuidadora las que parecen tener muchos receptores de glucocorticoides en el hipocampo por lo que funciona bien su axis HPA, incluso en periodo adulto, cosa que no sucede en los adultos que proceden de madre no cuidadora. Entonces, dados los conocimientos y axiomas establecidos por los estudios epigneticos piensan que la fijacin o no del factor de transcripcin NGFI-A a su secuencia consenso en el promotor parece estar regulada por estados epigenticos distintos en ambas camadas. Creen que las caricias maternas producen alteraciones epigenticas de tipo qumico en la estructura del DNA del gen de GR pero sin cambiar la secuencia de sus dinucletidos. Se basan en conocimientos establecidos en epignesis, que posteriormente comentaremos, que se pueden resumir en el siguiente esquema y figura 8, donde se enuncian cuestiones epigenticas hoy totalmente aceptadas:
1. Metilacin del ADN marca estable en la transcripcin de un gen.?
2. Estructura cromtica activa Hipometilacin de citosinas del dinucletido CpG de regiones reguladoras de la expresin de un gen activacin transcripcin.
3. Estructura cromtica inactiva Hipermetilacin de citosinas del dinucletido en CpG de regiones reguladoras de la expresin de un gen inactivacin de transcripcin.
Figura 8.- Esquema de metilacin del ADN extrado y modificado de citas (35 y 36). La metilacin del ADN ocurre en el dinucletido CpG (citosina–guanina) La metilacin est asociada con silenciacin de genes.
La metilacin del ADN es una marca estable, irreversible, de un gen se pone con interrogante porque est en discusin. Pero est completamente aceptado que la estructura cromtica de un gen modula la metilacin o no de su ADN. Si est activada la cromatina producir hipometilacin del ADN que finalmente activar la transcripcin del gen. Si est desactivada producir metilacin del ADN y finalmente bloqueo de la transcripcin del gen (figura 8).
Y partiendo de estos conceptos, y con el conocimiento de que la secuencia consenso donde se fija el factor de transcripcin NGFI-A est en el exn 7 del promotor del gen de receptores de glucocorticoides (GR), mapean dicha regin buscando una diferencia en ella con respecto a la metilacin del dinucletido CpG entre las cras procedentes de madre cuidadora y las procedentes de madre no cuidadora. Encuentran efectivamente que en dichas regiones est mucho ms metilado el dinucletido CpG en las cras procedentes de madre no cuidadora, con lo cual se silenciar dicha transcripcin, y el gen de GR se expresar menos y por tanto habr menos receptores de glucocorticopides en su hipocampo que en las cras hipometiladas que procedes de madre cuidadora.
Figura 9.- Estudio de mRNA -ARN mensajero- del receptor hipocampal de cras procedentes de madre con bajo cuidado –prisma oscuro- y de alto cuidado –prisma verde – a la derecha se muestra la foto del anlisis correspondiente. Siempre las cras procedentes de madre con bajo cuidado tienen, estadsticamente significativo, mucho ms bajo el mRNA del receptor de glucocorticoides GR tanto a seis como a 90 das de vida en relacin a las cras cuidadas. Modificada de citas (28, 29).
As que mapearon diferencias de metilacin de las citosinas en el dinucletido CpG (citosina –guanina) en el exon7 del promotor de GR en el tejido hipocampal de las cras adultas procedentes de madre muy cuidadora y poco cuidadora en etapa neonatal. Lo hicieron utilizando bisulfito sdico y con un particular inters alrededor de la secuencia consenso del factor de transcripcin NGFI-A. Encontraron que esa secuencia consenso esta siempre metilada en las cras que fueron poco cuidadas, y raramente lo est en las que fueron muy cuidadas. Los efectos del cuidado maternal incluyen neuronas y clulas gliales del hipocampo.
Pero para ratificar que efectivamente existen ms receptores GR en el hipocampo de las cras cuidadas, ellos procedieron, en clulas de hipocampo, a medir la expresin del mRNA de los receptores GR de glucocorticoides en ambas cras procedentes de madre cuidadora o no cuidadora y lo hicieron a 6 o a 90 das de vida (figura 9) encontrando en ambas etapas de vida mucha ms expresin de receptores GR en las cras procedentes de madre cuidadora.
5. SUCINTA RELACIN DE LOS CONOCIMIENTOS ACTUALES SOBRE LA MAQUINARIA EPIGENTICA
No es la intencin de este trabajo, ni puede ser por razones de extensin, hacer una detallada resea de los contenidos de la abrumadora cantidad de publicaciones que existen actualmente tratando de desentraar y establecer conocimientos rigurosos acerca de la maquinaria epigentica. Esta gran cantidad y su inters cientfico estn estimulados, en gran parte durante el siglo XXI, por el hecho clnico de las aberrantes metilaciones encontradas en el ADN de clulas de tumores cancerosos.
En los tejidos cercanos al tumor se encuentran clulas con sus genes muy metilados en las citosinas del dinucletido CpG de su ADN, lo cual bloquea su transcripcin. Pero se ha visto que esos genes si se expresaran, por no estar metilados, daran lugar a protenas que impediran la formacin del tumor, o bien expresaran protenas que bloquearan la angiognesis alrededor de l. O sea, en ambos casos, de alguna manera, se podra detener el proceso canceroso.
Es por ello que esta vertiente de investigacin, actualmente, ha sido muy estudiada buscando, en vertiente teraputica, el bloqueo de enzimas que impidan la metilacin, y todo ello est aportando cantidades enormes de conocimiento acerca de los procesos epigenticos y su maquinaria.
Hoy podemos definir la epignesis como el conjunto de alteraciones qumicas capaces de actuar sobre el ADN activando la expresin o no del gen, pero sin alterar la secuencia de sus dinucletidos.
En el esquema1, se sintetiza la principal maquinaria epigentica conocida (en la figura 8 se muestra donde se produce la metilacin del ADN).
La cromatina compuesta de histonas es enormemente modulable por acetilacin, metilacin o fosforilizacin. A su vez el estado cromtico modula la metilacin del ADN del gen. De dicha metilacin del gen depende su transcripcin. Las acciones de RNA no codificantes son mucho menos conocidas.
La epigentica determina la accesibilidad a la maquinaria de transcripcin de un gen tal como hemos expuesto anteriormente.
Esquema 1. Maquinaria epigentica conocida.
En los genes, adems del ADN, constituido por la secuencia de dinucletidos, existe la cromatina.
La cromatina es un complejo multiproteico muy dinmico que fue descubierto hace unos 130 aos, pero las investigaciones sobre cromatina se reemprendieron hace unos 20-25 aos (37). La construccin bsica de la cromatina es el nucleosoma que est constituido por un octmero de histonas (38). Las histonas reparan el ADN y de alguna manera remodelan y activan los genes. En el gen el ADN se enrolla alrededor de los nucleosomas. Actualmente, se cree que las histonas modulan la metilacin o no del ADN por un cdigo de histonas no totalmente conocido.
La cromatina muy dinmica se modula por acetilacin, metilacin y fosforilizacin. Siendo esta ltima modulacin la menos conocida.
La acetilacin da lugar a una cromatina activada que a su vez propende a una demetilacin en el ADN y todo ello activa la transcripcin. Sin embargo, la cromatina no activada, no acetilada, propende a la metilacin del ADN y ello impide la transcripcin del gen, segn se muestra en el esquema 2.
La cromatina activada por acetilacin propende a la demetilacin del gen en su ADN. Ambas cosas se hacen reclutando las correspondientes enzimas histona acetil transferasa (HAT) para la cromatina y la ADN-demetilasa para la demetilacin del ADN. La cromatina no activa, deacilada, propende a la metilacin del ADN del gen utilizando respectivamente las enzimas histona deacilasa (HDAC) y ADN-metiltransferasa (DNMTs). La metilacin del ADN se produce por reclutamiento de la enzima ADN metiltransferasa y la demetilacin por la enzima ADN demetilasa. Las modulaciones de la cromatina se realizan reclutando las correspondientes enzimas conocidas de las histonas, segn lo mostrado en el esquema 3.
Esquema 2. Mecanismos epigenticos.
La metilacin del ADN silencia genes mediante dos mecanismos fundamentales: a) metilando en sitios crticos (Fig.8), que inhiben la unin de factores de transcripcin a su secuencia consenso, tal como hemos expuesto en el anterior trabajo del Dr. Meaney, y b) reclutando protenas unidas a grupos metilo, fundamentalmente S-adenosil metionina (SAM). Finalmente, la metilacin silencia genes por bloquear su transcripcin, tal como hemos expuesto anteriormente y a su vez desactiva la cromatina reclutando la enzima histona deacilasa (HDAC) produciendo un efecto o cambio parecido a un polimorfismo o a una ablacin del gen tal como se sintetiza en el esquema 4.
Esquema 4. Acciones de metilacin del ADN.
Pero existe una diferencia fundamental las alteraciones genticas se producen en todas las clulas del organismo porque todas tienen el mismo ADN y son irreversibles, pero las alteraciones epigenticas se producen solamente en determinadas clulas de determinados tejidos y como veremos parece que pueden revertirse.
Establecindose entre la activacin de la cromatina (acetilacin) y metilacin del ADN un equilibrio bidireccional del cual hablaremos posteriormente.
Con todo lo expuesto, podemos concluir que actualmente existen cuestiones en epignesis absolutamente establecidas y sintticamente reseadas en los esquemas anteriores (1-4; figuras 6 , 8 y 10). El ltimo mecanismo reseado en el esquema 1, la existencia de mRNA no codificantes, se ha descubierto muy recientemente. Se ha estudiado sobre todo, en vertiente cancergena. Tambin se llaman micro RNA y parece que actan degradando el mRNA (RNA mensajero), tambin, bloqueando la traslacin, y silenciando, desactivando, la cromatina, aunque de ello se conoce poco.
Hay que sealar que como vamos a exponer ms adelante, actualmente existe una controversia acerca de si, como se ha pensado durante ms de 20 aos, la metilacin del ADN es realmente una marca estable o es reversible,y el mundo cientfico parece cada vez ms inclinarse por la reversibilidad.
Figura 10.- Equilibrio metilacin-demetilacin de ADN respectivamente modulado por inactivacin –activacin de la cromatina. En la parte central, arriba, ADN metilado (muchos CH3) y bajo demetilado (pocos CH3). Parte izquierda: la demetilacin del ADN, por ADN demetilasa, se produce cuando la cromatina est activada (flechas blancas). Parte derecha: la metilacin del ADN, por la ADN metiltransferasa, se produce cuando la cromatina esta desactivada (flechas negras). La activacin de la cromatina –acetilacin- requiere la enzima histona acetil transferasa (HAT) y la desactivacin – deacilacin- la enzima histona deacilasa (HDAC). Estos equilibrios parecen ser bidireccionales. Modificado de cita (39).
6. POSIBLE REPROGRAMACIN EPIGENTICA Y CONSIDERACIONES ACTUALES
En el ao 2008 (29) el grupo de Meaney recoge y expone experiencias ya comenzadas en el 2004 (28), en las cuales tratan de averiguar, en el modelo descrito de camadas con madres cuidadoras o no, si la metilacin o no metilacin de las citosinas en el exn 7 del promotor del gen que expresa receptores de glucocorticoides(GR)que ellos haban encontrado, respectivamente, en las cras no cuidadas por su madre – metiladas- o en las muy cuidadas –demetiladas-son procesos reversibles o si no lo son.
Para ello dejan crecer a las cras de madre cuidadora y de madre no cuidadora hasta etapa adulta. Primero, comprueban que las primeras tienen un axis HPA-hipotlamo-pituitaria- adrenal- programado de forma ajustada y normal, mientras que no lo tienen las provenientes de madre no cuidadora. Ello supone que en las primeras se ha producido una demetilacion alrededor de la secuencia consenso del promotor que a su vez ha aumentado la transcripcin del gen, elevando, finalmente, el nmero de receptores de glucocorticoides en su hipocampo.
Para comprobar si dicha marca epigentica se puede revertir en periodo adulto, les suministran, por inyeccin cerebro-ventricular, S-adenosil metionina (SAM), el metil donor, y observan que su axis HPA responde entonces como el de las ratas provenientes de madre no cuidadora. Concluyen que se han metilado las citosinas en la secuencia consenso donde se fija el factor de transcripcin con la consiguiente disminucin de la transcripcin y la baja de receptores GR (parte izquierda de la figura 11).
Figura 11.- Reprogramacin epigentica. En la parte alta de la grfica: el cuidado maternal recluta serotonina (5-HT) que llega al hipocampo se fija a un receptor de serotonina acoplado a c-AMP y se acta a travs del factor de transcripcin NGFI-A-(ver texto) Parte izquierda (alto cuidado): la fijacin de NGFI-A a la secuencia consenso del promotor del gen de GR se produce ms en las cras de madre de alto cuidado cuando se demetila all el ADN por ADN demetilasa porque la cromatina est acetilada (AC en grfica). En parte derecha (bajo cuidado): el factor de transcripcin NGFI-A se fija menos a su secuencia consenso porque se recluta ADN metiltransferasa que metila dicha secuencia (CH3 en grfica). Reprogramacin: si en periodo adulto se inyecta por va cerebro-ventricular, a las de alto cuidado maternal, SAM (un metil donor) se metila el ADN en la secuencia consenso y los animales se comportan ante el estrs como las cras de bajo cuidado, por tener menor expresin final de GR. Y la reprogramacin tambin ocurre en las de bajo cuidado si se inyecta TSA (un inhibidor de histonas deacilasas HDAC) que activar la cromatina, la acetilar, como en las de alto cuidado, ello reclutar ADN demetilasas y se demetilar la secuencia consenso fijndose ms el factor de transcripcin como ocurra con las de alto cuidado. Cosa que comprueban porque dichas ratas pasan a comportarse ante estrs como las de alto cuidado por aumentar en hipocampo los receptores de glucorticoides GR. Grfica reformada referencia(29). NGFI-A (factor de transcripcin inductor de protena A), c-AMP (cido adenosin monofosfrico-) SAM– (S-adenosil metionina-) DNMT (ADN metil transferasa) TSA –inhibidor de histona deacilasa (HDAC), GR(receptor de glucocorticoides) Ac (cromatina acetilada o activada), CH3 (ADN metilado). Modificada desde citas (28,29).
Sin embargo, a las ratas adultas provenientes de madre no cuidadora que tienen un axis HPA mal programado por poseer metilada dicha secuencia consenso les dan inyeccin cerebro- ventricular de TSA (una droga inhibidora de la enzima histona deacilasa (HDAC)), enzima que produce la deacilacin de la cromatina, y sin la cual la cromatina deacilada piensan que se convertir en cromatina activa acetilada por faltar dicha enzima. En consecuencia, dicha modificacin cromtica a su vez demetilar la secuencia consenso, con el consiguiente aumento de la transcripcin y, por tanto, del nmero de receptores de glucocorticoides en el hipocampo (parte derecha de la figura 11) Es decir se comportaran como las cras procedentes de madre muy cuidadora.
Y obtienen as, una reprogramacin en periodo adulto del proceso epigentico provocado por las caricias, o por las no caricias, en periodo neonatal de ambas camadas.
Los resultados hallados en este trabajo muestran, adems, experimentalmente, el equilibrio bidireccional, hoy totalmente establecido por los estudios sobre el cncer (39), que parece existe entre modulacin cromtica, activando o no la cromtina por acetilacin, y la demetilacin o no del ADN del mismo gen (figura 10)
Pero en este trabajo (29) que ellos titulan El Ambiente social y el epigenoma expresan, adems, toda una serie de sugerencias y conclusiones. Se hacen preguntas todava no contestadas para incitar y hacer reflexiones proyectadas al futuro.
Comienzan por establecer que la atencin sobre la metilacin del ADN se focaliz, en principio, finales siglo XX, en el estudio de las pautas seguidas durante el desarrollo (25,27) y por ello se asent el principio de que las marcas en el ADN durante el desarrollo permanecan estables (27), cuya creencia ha durado por espacio de veinte aos. De la reprogramacin que ellos consiguen en periodo adulto, que acabamos de exponer, deducen que las enzimas necesarias para las demetilaciones y metilaciones, en las ratas cuidadas o no cuidadas, se mantienen en etapa adulta, sin lo cual, dicen, no se podra producir la reversibilidad encontrada en dicho periodo. Afirman, pues, que actualmente se puede postular que la metilacin del ADN puede producirse a lo largo de la vida y por tanto ello supone que se puede modular el genoma y afectar el fenotipo a lo largo de ella. Advierten y pronostican que si los cambios epigenticos ocurren en clulas germinales entonces se transferirn a futuras generaciones.
Piensan que la maquinaria gentica parece permanecer activa a travs de la vida tambin en clulas postmitticas. Prosiguen que hay pautas y seales, tambin en clulas maduras, que unen exposicin extracelular a variaciones del ambiente y maquinaria gentica, y para dicha aseveracin aducen la reprogramacin encontrada en sus camadas en el periodo adulto y tambin los trabajos de Miller y Sweatt en 2007 (40).
Estos autores muestran que los procesos de metilacin–demetilacin en el ADN de clulas hipocampales regulan procesos de aprendizajes adultos. Y, adems, realizan sus experimentos provocando en las ratas situaciones de miedo. Con todo ello, afirman que la metilacin de ADN es dinmica en clulas postmitticas en el cerebro y en neuronas in vitro (41). Y estos experimentos (40,41) son un modelo en el cual el factor ambiental que produce el cambio epigentico, no es qumicos, sino un factor ambiental psicosocial, miedo, exactamente igual que las caricias maternales en los experimentos del grupo de Meaney (29).
Figura 12.- Las seales exteriores que recibe el organismo por mal ambiente psicosocial, xenobiticos, malnutricin o fsicos, pueden actuar como represores, o bien, actan reclutando factores de transcripcin que, finalmente, aumentarn la expresin de determinados genes. En la parte de arriba los represores, segn los conocimientos actuales, reclutaran histona deacilasa (HDAC) en determinados genes de determinados tejidos, ello inactivar la cromatina de ellos, porque la deacilar, y como consecuencia se metilar el ADN de ese mismo gen, por accin de las ADN metil transferasas (DNMTs). La flecha horizontal, hacia la derecha, seala la metilacin, en el carbono 5, de las citosinas del dinucletido CpG. En la parte baja de la grfica la seal acta va seales de factores de transcripcin, y reclutar histona acetil transferasa (HAT) que activar la cromatina de determinados genes en determinados tejidos, que a travs de demetilasas, demetilaran el ADN de esos mismos genes. La flecha horizontal, hacia la izquierda,, seala la demetilacin de la citosina en el carbono 5, (CH3OH pasa a HOH). Tambin se seala la posible reprogramacin de estos procesos en las flechas curvas: arriba,, dando SAM, metil donor, las citosinas parte izquierda DEMETILACION pasaran a METILACION parte derecha. En la parte baja la otra flecha curva seala la demetilacin de la citosina de estado METILADO en el carbono 5 de la citosina CH3OH a DEMETILADO CHOH - en la parte izquierda de la figura. Ello se hace dando un inhibidor, a las cras de madre cuidadora, de la enzima histona deacilasa (HDAC), el compuesto TSA, ver figura 11. Modificado de cita (29).
Por ello sugieren que una cosa importante a definir, en el futuro, es si los factores ambientales que pueden producir alteraciones epigenticas son limitados a factores de tipo qumico como la dieta, drogas y toxinas o si una alteracin de ambiente psicosocial tambin lo hace. Y ello es muy importante porque establece un vnculo entre ambiente psicosocial y salud. Otra cuestin es si las alteraciones epigenticas pueden llegar a alterar la conducta, por ejemplo la de aprendizaje (40) y tambin si ello se produce solamente en el desarrollo, o tambin a lo largo de la vida.
Hoy la neuroepignesis est en sus comienzos, pero se est investigando intensamente y, sin duda, se perfila como muy importante para poder establecer teraputicas eficaces en enfermedades neurodegenerativas como el Alzheimer.
Finalmente, intentan, sucintamente, exponer en un cuadro, con los conocimientos actuales de la maquinaria epigentica y las enzimas respectivas conocidas, junto con los factores ambientales, cmo se articula la ruta de seales. Y establecen que las seales de los factores ambientales pueden actuar como represores o bien reclutar factores de transcripcin, lo que da como resultado un bloqueo de la trascripcin del gen o bien una buena transcripcin de l, respectivamente (figura 12).
En la parte de arriba de la grfica, una ruta de seales activa represores inactivando la cromatina de determinados genes, lo que provocar la metilacin en su ADN que, a su vez, bloquear la transcripcin. En la parte de bajo dichas seales provocan una activacin de la cromatina de los genes que a su vez producir la demetilacin del ADN que propicia la fijacin a su secuencia consenso de factores de transcripcin que aceleran la transcripcin.
Hay que remarcar que a pesar del gran acmulo de conocimientos conseguido sobre la maquinaria epigentica, sobre todo en lo que llevamos de siglo XXI, quedan, no obstante, muchas lagunas de conocimiento. En esta ruta del dinamismo entre ADN y ambiente qu hace que una seal de un factor ambiental sea represora o por el contrario reclute factores de transcripcin? En qu circunstancias y porqu ocurren ambas cosas? qu cuestiones propician y qu circunstancias producen una u otra vertiente y por qu?
Es indudable que estamos en el camino de encontrar las respuestas y tambin que ello propiciar el hallazgo de teraputicas, hoy muy necesarias, para enfermedades autoinmunes, cncer o patologas neurodegenerativas.
Lo que si hemos llegado a establecer y es totalmente aceptado en el mundo cientfico es que, diferencias interindividuales en marcas epigenticas darn como resultado diferencias interindividuales en el fenotipo, tal como afirma Meaney (29). Y dicha aseveracin ha venido a esclarecer, cientficamente, el modelo vivo humano de los gemelos homocigticos. Cualquiera que los haya tenido cerca sabe que tienen el mismo ADN pero, ya desde su nacimiento, su vulnerabilidad a determinadas enfermedades es distinta, y, lo que es ms sutil son personalidades diferentes y de forma an ms clara si su biografa no es la misma. Dicho de otro modo, hoy est aceptado que el fenotipo es el producto de continuas interacciones entre el genoma y el ambiente (42).
La biologa, en general, ha sido genocntrica en las pasadas nueve dcadas, sin embargo, actualmente, parece claro que el destino de un gen no est definido por la secuencia de su ADN, por si misma, sino tambin por la manera segn la cual un gen es marcado y programado por modificaciones cromticas, metilacin de ADN y por no codificantes ARN(29).
Otra cuestin que es muy importante en biologa: se transmiten generacionalmente los cambios epigenticos?
Aunque actualmente existe bastante controversia al respecto y realmente falta investigacin rigurosa sobre este tema, vamos, sin embargo, a tratarlo a continuacin.
7. POSIBLE TRANSMISIN TRANSGENERACIONAL DE MARCAS EPIGENTICAS
Antes de seguir adelante sealaremos la gran importancia biolgica que entraa esta pregunta para dos vertientes de investigacin actuales.
La primera vertiente nos hace volver al principio de este trabajo.
Situaciones ambientales adversas durante el desarrollo programan de forma anmala, en periodo fetal, el axis HPA -.hipotlamo –hipofisis –adrenal- con la consiguiente mala respuesta al estrs durante toda la vida, y adems reduce el peso al nacimiento. Ambas cuestiones son un factor de riesgo de padecer patologas, en periodo adulto, comprendidas en el sndrome metablico ‑alteraciones cardiovasculares, diabetes 2, o hipertensin- como expusimos. Desde finales del siglo XX est claro que la mala programacin del axis HPA y la reduccin del crecimiento se producen por la llegada masiva de glucocorticoides maternales al feto y a la placenta, que finalmente reducen el nmero de receptores de glucocorticoides GR, pero todo ello, que fue investigado en el siglo XX, dejaba una pregunta pendiente que formulamos al principio: por qu mecanismo los glucocorticoides disminuyen los receptores de glucocorticoides GR en hipocampo y quiz en la placenta?
Y para contestar a ella ha habido en el siglo XXI, como venimos exponiendo, que profundizar en los mecanismos epigenticos. Y hoy existen resultados que indican que el mecanismo utilizado en dicha anmala programacin por los glucocorticoides es un proceso epigentico.
Al principio de este trabajo remarcamos la importancia de la placenta, y de la necesidad de su buen funcionamiento para el crecimiento fetal. Y a partir de 2011 han comenzado a publicarse trabajos que demuestran que la restriccin del crecimiento al nacimiento en humano est asociada con pautas anmalas de metilacin de ADN en sus placentas, cuando se las compara con la metilacin de placentas de nio con un peso normal al nacimiento. Hay que hacer notar que en alguno de estos trabajos, muy rigurosos, se han utilizado alrededor de 206 placentas humanas (43). Pero, adems, tambin, en otros trabajos se ha encontrado correlacin muy alta, en humano, entre la metilacin del ADN en el promotor del receptor de glucocorticoides GR en placenta y el bajo peso al nacimiento, habiendo utilizado alrededor de 406 placentas humanas procedentes de nios de bajo peso y de sus controles, nios de peso normal al nacimiento y los cuales no tenan metilada la misma zona en el promotor del gen que expresa GR (44). Es decir, comenzamos a poder con rigor establecer que la llegada masiva de glucocorticoides, por una parte reduce el peso fetal y, por otra, programa mal el axis HPA de forma irreversible, y ambas cosas se realizan por el mismo mecanismo epigentico. Provocando, finalmente, la disminucin de receptores GR en placenta o en el hipocampo por metilacin del ADN en el promotor del gen que expresa estos receptores de glucocorticoides en placenta y en hipocampo fetal segn hemos expuesto en los trabajos de Meaney (28, 29)
Decamos al principio que la llegada de glucocorticoides maternales al feto programaba mal el axis HPA y ello era un factor de riesgo de enfermedades en periodo adulto. Pero si dicha mala programacin se realiza por un mecanismo epigentico y, este se trasmite a lo largo de generaciones, la mala programacin del HPA en periodo fetal, se convierte en un factor de riesgo, no solamente en periodo adulto sino un factor de riesgo en su descendencia y a travs de generaciones. Es decir, es un problema mucho mayor en vertiente sanitaria y para la raza humana. Por ello, a partir de 2010, existe una literatura abundante, aunque no suficiente, intentando establecer si las marcas epigenticas se trasmiten por va generacional. Ya que ello es ahora de mxima importancia biolgica y sanitaria.
La otra vertiente de no menos importancia que la reseada, contempla una deriva evolutiva.
Tambin al principio se enunci el concepto darwiniano de la allostasis y se afirm que si la allostasis abarca los mecanismos que los organismos poseen para adaptarse a una situacin de emergencia y sobrevivir, en todo ello haba una reminiscencia darwiniana. Dijimos que cuando en el siglo XIX Charles Darwin escribi el Origen de las Especies y expuso su teora sobre la seleccin natural, por la cual segn l evolucionaban las especies, no se conoca ningn mecanismo, en aquella poca, por el que se pudiera realizar dicha seleccin natural. Pero como anunciamos en el siglo XXI comenzamos a conocer algn mecanismo para ello. Pues bien, ese mecanismo parece que son los procesos epigenticos, pero, como anteriormente dijimos, siempre que consigamos demostrar que las marcas epigenticas se trasmiten a travs de las generaciones.
No obstante, y a pesar de que se est investigando intensamente, an no existen suficiente bagaje de conocimiento para poder afirmarlo, sobre todo, si no hablamos de clulas germinales
Hay que sealar que esta vertiente de investigacin fue movilizada por la publicacin de Anway en el 2005 cuyo trabajo est siendo ampliamente citado (45).
Estos autores comienzan por plantear que los efectos transgeneracionales de toxinas ambientales solamente pueden producirse por una alteracin cromosmica o epigentica en la lnea germinal.
En su trabajo eligen dar vinclozolin (un antiandrgeno, ya que se fija a los receptores de andrgenos) o methoxychlor (un compuesto estrognico que se fija a los receptores de estrgenos). El vinclorozolin es un fungicida usado en la industria del vino y el methoxychlor es un pesticida como el DDT. Eligen para el experimento el periodo en que, en la rata, se produce la diferenciacin sexual, que es en los fetos rata de 12 a 15 das de gestacin, lo que en humano seria a mitad de su gestacin.
En dicha etapa inyectan, por va intraperitoneal, a madres gestantes de camadas distintas, uno de los dos compuestos. Actuando, en ambos casos, sobre embriones de 8 das de gestacin y continuando hasta embriones de 15 das. De los dos compuestos inyectan 200 mg por kg de peso y da.
Hay que recordar que la diferenciacin sexual se produce en los machos mamferos por la diferenciacin de los testculos, cuyo acontecimiento ms evidente es la diferenciacin de las clulas de Sertoli. Es, adems, ese un momento en que existen en el embrin cantidades enormes de receptores de andrgenos (AR) y de estrgenos (ER beta). Hay que recordar, tambin, que dicha diferenciacin sexual, en los mamferos, se produce en los machos ya que, a pesar de su dotacin gentica de XY, se diferenciaran como hembras, en vertiente neuroendocrina y de conducta, si en un determinado momento, especfico para cada especie, no surgieran los testculos y la secrecin enormemente alta de testosterona fetal (46).
Estos autores dejan crecer a las cras hasta periodo adulto y en ambas camadas, las inyectadas con vinclozolin y las inyectadas con methoxychlor, encuentran en los machos una gran infertilidad con disminucin del nmero de los espermatozoides y tambin su movilidad, adems, de alteraciones histolgicas en los testculos. Todo ello en un porcentaje del 90% de la poblacin de cras machos analizadas. En periodo adulto cruzan estos machos, ms bien el 20% de ellos que parecen normales sus testculos, con hembras normales. Y encuentran hasta la cuarta generacin que sus cras machos presentan las mismas anormalidades y en igual proporcin.
Estudian las pautas de metilacin del ADN en clulas de los testculos de estos animales adultos y las encuentran anrmalmente metiladas con respecto a machos de la misma edad cuya madre no fue tratada en periodo gestante. Y hallan una correlacin positiva entre su infertilidad y las pautas de metilacin de ADN en clulas testiculares. Comprobando que todo ello encierra a nivel gentico un mecanismo epigentico. Es interesante consignar que las cras hembra de madres tratadas parecen, en principio, no presentar alteraciones, aunque fueron menos estudiadas.
Es un trabajo muy riguroso y que sigue siendo, como hemos dicho, enormemente citado. Estos autores dicen literalmente al final de su trabajo: la habilidad de un factor ambiental (por ejemplo un disrupto endocrino, como ellos llaman a esas drogas)para reprogramar la lnea germinal y para promover un estado patolgico tiene implicaciones para la biologa evolucionista y para la etiologa de enfermedades. Y as es, evidentemente.
Su trabajo muestra que los procesos epigenticos en momentos claves del desarrollo, por irrupcin de factores ambientales externos y que alteran la aparicin o la secuencia normal de acontecimientos, son transmitidos a las nuevas generaciones. Dada la importancia de estas cuestiones se est trabajando intensamente en esta vertiente
A partir del 2010 se estn publicando muchos trabajos, sobre todo de transmisin generacional por va paterna, mostrando que situaciones psicopatolgicas sufridas por cras macho en su periodo de desarrollo parecen provocar metilaciones de ADN en determinados genes, algunos de ellos a nivel cerebral (47) y ya en 2007 (48) se encuentran trabajos interesantes con respecto a la transmisin intergeneracional por agentes qumicos que son llamados en lenguaje anglosajn endocrine –disrupting chemicals (qumicos- disruptores- endocrinos) del tipo de los utilizados por Anway(45). Pero en todos estos trabajos la trasmisin es por va paterna y cuando el factor ambiental, psicolgico o qumico, ha irrumpido en periodos de desarrollo.
Es mucho ms difcil encontrar trabajos rigurosos actualmente de trasmisin por va materna; sin embargo, en 2010 hay que citar un trabajo de Matthews (49), por el esquema que incluye de transmisin de un axis HPA anmalo por va maternal, aunque para aceptar su hiptesis de trasmisin por va materna habr que esperar a ms y ms rigurosas y abundantes investigaciones (figura 13) (49).
Es evidente y ampliamente aceptado por el mundo cientfico que las alteraciones epigenticas cuando se producen en momentos de desarrollo parecen trasmitirse a travs de generaciones, aunque en este momento falta profundizar en esta vertiente.
Est totalmente establecido y ampliamente aceptado en el mundo cientfico que los mecanismos epigenticos modulas y alteran la expresin gentica por supuesto en periodos de desarrollo pero parece que tambin en clulas postmitticas, en tejidos envejecidos se han encontrado enzimas como la histona deacilasa pero an existe cierta controversia sobre otras enzimas de la maquinaria epigentica.
Figura 13.- Posible trangsgeneracional programacin del axis HPA. Se intenta mostrar cmo por va materna se podra hacer un paso transgeneracional de las modificaciones epigenticas que provocan la programacin anmala del axis HPA. En la parte izquierda se seala que un mal ambiente fetal por estrs maternal, por darle glucocorticoides a la madre gestante o por su malnutricin producen cambios epigenticos, descritos a lo largo de este texto, que conforman mal su axis HPA. Y esas modificaciones epigenticas aparecern en las cras de la primera generacin en machos y hembras, como se ha expuesto, y su axis se programar de forma anmala, todos estos sucesos estn englobados en la figura en el amplio recuadro llamado Transgeneracional transmisin. Pero en la segunda generacin las cras hembras, cuando vayan a ser madres, lo harn con un axis programado en la primera generacin de forma anmala, entonces, ante cualquier situacin de emergencia, su axis HPA responder desmedidamente y de nuevo sus cras sufrirn trans generacional trasmisin por el gran nmero de glucocorticoides que pasaran de la madre al feto y as sucesivamente a travs de generaciones. Pero en el momento actual faltan nmero y rigor, en las pocas publicaciones sobre este tema que hay, para poder sustentar y defender dicha hiptesis por va materna. Grfica reformada de cita (49).
Es evidente el gran aporte de conocimiento realizado, prcticamente todo en el siglo XXI, sobre la maquinaria epigentica pero antes de concretar y enunciar conclusiones quiero sealar que en su magnfico libro Gentica del Profesor. Lacadena (50) afirma que existe una gentica anterior al descubrimiento del ADN y otra posterior a l, y en el momento actual parece que estamos asistiendo a un nuevo cambio de paradigma.
Tambin para hacer justicia a la creatividad de la mente humana hemos confeccionado el esquema 5 desde el siglo XVIII al siglo XXI. El mdico francs Jean-Baptiste Lamarck nacido en 1744 concibi y habl ya de la evolucin de las especies, sin ms tecnologa que su cerebro y su observacin. Deca, simplificando mucho, que las adaptaciones adquiridas, propiciadas por el ambiente con fines de supervivencia, se mantendran a travs de las generaciones y as se producira la evolucin. Probablemente sus escritos los conocera Charles Darwin (1809). Las teoras de Lamarck han sido muy rebatidas e incomprendidas ms an que las de Darwin. Han tenido que pasar casi dos siglos para que nuevas mentes humanas hayan encontrado los mecanismos epigenticos con los cuales podran los organismos evolucionar. Pero tambin en historia de la ciencia reciente hay que recordar con humildad, que es lo que la Ciencia ensea, que en 1957 Waddington que haba sido el primero que defini la epigenesis, lanz su The Waddingtons epigenic landscape (El paisaje epigentico de Waddington) (51) cuyo postulado se ha mantenido en la ciencia por muchos aos y que niega la posibilidad de reprogramacin y transdiferenciacin celular. Pero el ao 2006, S. Yamanaka public su trabajo en el cual con sus cuatro factores de transcripcin llamados factores de Yamanaka consigue reprogramar fibroblastos embrionarios y adultos a clulas madre pluripotentes o clulas iPS (induces pluripotent stem cells), que echa por tierra la teora de Waddington y establece la reprogramacin celular y por lo cual Yamanaka recibi en 2012 el Premio Nobel de Fisiologa. Actualmente, podemos decir, que hemos entrado en la posibilidad de transdiferenciacin celular.
DESDE EL SIGLO XVIII AL SIGLO XXI
- Jean-Baptiste Lamarck (1744)
- Charles Darwin (1809)
-Waddington 1957 The Waddington s epigenetic landscape
-S. Yamanaka (2006) Premio Nobel de Fisiologa y Medicina 2012
Esquema 5.
8. CONCLUSIONES
1. En el momento actual parece establecido el gran dinamismo que existe en la expresin gentica a travs de procesos qumicos y, la gran aplicabilidad teraputica, si se consigue revertirlos, que pueden tener estos descubrimientos en el futuro; en cncer, enfermedades autoinmunes o neuropatologas.
2. Las modificaciones cromticas, de cuyo conocimiento estamos al comienzo, son, sin duda, una interfase entre las variaciones ambientales y el genoma, en un proceso, por medios qumicos, de adaptacin dinmica. Todo ello podra abrir, en el futuro, enormes expectativas en vertiente evolucionista.
3. La neuroepignesis est en sus comienzos pero puede tener gran aplicabilidad teraputica en patologas neurodegenerativas como el Alzheimer.
9. referencias