Herencia epigenética (metilación del ácido desoxirribonucleico): contexto clínico en neurodegeneraciones y gen ATXN2

Med Clin (Barc). 2013;xx(x):xxx–xxx

G Model

MEDCLI-2820; No. of Pages 6

Revision

Herencia epigenetica (metilacion del acido desoxirribonucleico):contexto clınico en neurodegeneraciones y gen ATXN2

Jose Miguel Laffita-Mesa a,b,* y Peter Bauer c

a Centro para la Investigacion y la Rehabilitacion de la Ataxia Hereditaria (CIRAH), Holguın, Cubab Academia de Ciencias de Cuba, Rama de Biomedicina, Habana, Cubac Department of Neuroscience, Mayo Clinic, Jacksonville, FL, Estados Unidos

I N F O R M A C I O N D E L A R T I C U L O

Historia del artıculo:

Recibido el 23 de agosto de 2013

Aceptado el 14 de noviembre de 2013

On-line el xxx

Epigenetica

Metilacion

Cromatinas

Microacido ribonucleico

Neurodegeneracion

ATXN2

R E S U M E N

La epigenetica es el colectivo de cambios en el fenotipo debidos a procesos que surgen independientes

de la secuencia primaria del ADN. Esta ıntimamente relacionada con los cambios en los niveles y

perfiles de expresion de los genes. Estos cambios estan mediados por las modificaciones en las colas de

histonas cromatineanas, la metilacion del ADN, los micro-ARN y la remodelacion de la cromatina,

constituyendo los fundamentos de la herencia epigenetica. La metilacion del ADN involucra la adicion

del grupo metilo a la citosina del ADN genomico. Esta reaccion es mediada por las enzimas

metiltransferasas. La metilacion regula la expresion genica, reprimiendo la transcripcion, en tanto que

su ausencia activa la expresion. Varias enfermedades humanas, como el cancer, la enfermedad de

Alzheimer, el ictus, el Parkinson o la diabetes mellitus tipo 2, estan vinculadas a procesos epigeneticos.

En este trabajo se presentan las bases de la herencia epigenetica con enfasis en la metilacion del ADN.

Tambien se ilustran los mecanismos patogenicos que relacionan a la epigenetica con varias

enfermedades humanas y, mas especıficamente, las neurodegeneraciones. Discutimos los conceptos

actuales para poder entender la contribucion de la epigenetica en enfermedades neurodegenerativas.

Se enfatiza en los hallazgos obtenidos por nuestro laboratorio y otros investigadores en el gen ATXN2,

causante de la ataxia espinocerebelosa tipo 2 y otras enfermedades neurodegenerativas, como

la esclerosis lateral amiotrofica. Los procesos epigeneticos desempenan un rol primordial en la

patogenesis de varias enfermedades humanas y en varias neurodegeneraciones. Este conocimiento ha

impulsado un desarrollo tecnologico en las tecnicas de analisis de los patrones de metilacion y se

proyectara al area terapeutica.

� 2013 Elsevier Espana, S.L. Todos los derechos reservados.

Epigenetic heredity (deoxyribonucleic acid methylation): Clinical context inneurodegenerative disorders and ATXN2 gene

Keywords:

Epigenetics, Methylation, Chromatin,

Micro-ribonucleic acid

Neurodegeneration

ATXN2

A B S T R A C T

Epigenetics is the group of changes in the phenotype which are related with the process independently

of the primary DNA sequence. These changes are intimately related with changes in the gene expression

level and its profile across the body. These are mediated by histone tail modifications, DNA methylation,

micro-RNAs, with chromatin remodeling remaining as the foundation of epigenetic changes. DNA

methylation involves the covalent addition of methyl group to cytosine of the DNA, which is mediated

by methyltransferases enzymes. DNA methylation regulates gene expression by repressing transcrip-

tion, while de-methylation activates gene transcription. Several human diseases are related with the

epigenetic process: cancer, Alzheimer disease, stroke, Parkinson disease, and diabetes. We present here

the basis of epigenetic inheritance and show the pathogenic mechanisms relating epigenetics in human

diseases, specifically with regard to neurodegeneration. We discuss current concepts aimed at

understanding the contribution of epigenetics to human neurodegenerative diseases. We also discuss

recent findings obtained in our and other centers regarding the ATXN2 gene that causes spinocerebellar

ww w.els evier .es /med i c in ac l in i c a

* Autor para correspondencia.

Correos electronicos: [email protected], [email protected] (J.M. Laffita-Mesa).

Como citar este artıculo: Laffita-Mesa JM, Bauer P. Herencia epigenetica (metilacion del acido desoxirribonucleico): contexto clınico enneurodegeneraciones y gen ATXN2. Med Clin (Barc). 2014. http://dx.doi.org/10.1016/j.medcli.2013.11.025

0025-7753/$ – see front matter � 2013 Elsevier Espana, S.L. Todos los derechos reservados.

http://dx.doi.org/10.1016/j.medcli.2013.11.025


mailto:[email protected]

mailto:[email protected]


www.elsevier.es/medicinaclinica


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ataxia 2 and amyotrophic lateral sclerosis. Epigenetics play a pivotal role in the pathogenesis of human

diseases and in several neurodegenerative disorders, and this knowledge will illuminate the pathways in

the diagnostic and therapeutic field, which ultimately will be translated into the clinic context of

neurodegenerative diseases.

� 2013 Elsevier Espana, S.L. All rights reserved.

Introduccion

Epigenetica: la nueva ciencia de la genetica

La epigenetica, para muchos la nueva ciencia de la genetica, sedefine como el colectivo de cambios en el fenotipo debidos aprocesos que surgen independientes de la secuencia primaria delADN. Estas alteraciones heredables en los genes se transmiten atraves de la mitosis y la meiosis1.

Varios autores proponen 2 ramas de la epigenetica con unadivision a veces difusa entre ellas: i) la estructural, basada en latransmision de estructuras alternativas de las macromoleculas ycomplejos macromoleculares, y ii) la regulatoria, basada en losestados alternativos de las rutas metabolicas o regulatorias2, la queabordaremos mucho mas profundamente en este artıculo.

A nivel molecular comprende las modificaciones del ADN, lashistonas, la interferencia por ARN, y el efecto de posicionamientode los nucleosomas y los cromosomas. Los procesos relacionadoscon priones y su autoperpetuacion a partir de un polipeptido seclasifican tambien como procesos epigeneticos2.

Varias son las funciones de la epigenetica; solo por mencionaralgunas: la pluripotencia de celulas troncales depende de senalesambientales y mecanismos epigeneticos como la metilacion delADN, las modificaciones de histonas y los micro-ARN (mi-ARN), locual tiene un rol primordial en como estas celulas responden alambiente. Tambien, hoy se sabe que la regulacion genica mediadapor procesos epigeneticos es necesaria para los cambios en eldesarrollo del cerebro, y ademas para modular el impacto de lasexperiencias tempranas reflejadas en los estados de salud y riesgofrente a enfermedades. Las afecciones neurologicas tienen un grancomponente epigenetico. Esto se hace mucho mas evidente no soloen los ampliamente caracterizados epigeneticamente sındromesde Rett, o el de cromosoma X fragil, sino tambien en la enfermedadde Alzheimer (EA) y la de Huntington (EH), ambos, trastornosneurodegenerativos, ası como en otros, neuropsiquiatricos y delcomportamiento, como el autismo, la depresion y la esquizofrenia,los cuales se asocian tambien con alteraciones epigeneticas.

En este artıculo se enfatiza en los fundamentos de la herenciaepigenetica, especıficamente en la metilacion del ADN, ası como surol en enfermedades humanas, como las neurodegeneraciones, ymas alla, en hallazgos recientes en el gen ATXN2, causante de laspinocerebellar ataxia (SCA, «ataxia espinocerebelosa») tipo 2, y de

CH3

NH2

CH2 H2C H2C

H3N +

C

+ S

CH

COO–

H

OH OH

SAM

X

MetiltransferasH HH

O N

N

N

N

Figura 1. Reaccion general de la transferencia del grupo metilo dependiente de SAM

metiltransferasas de un aceptor X de grupos metilo, con el donante SAM y los productos S

producto SAH y su concentracion es el principal determinante de la actividad enzimat

SAH: S-adenosylhomocysteine («S-adenosilhomocisteına»); SAM: S-adenosylmethionine (

Tomada de Ulrey et al.3, 2005, con permiso de Oxford Press.

Como citar este artıculo: Laffita-Mesa JM, Bauer P. Herencia epigenetineurodegeneraciones y gen ATXN2. Med Clin (Barc). 2014. http://dx

otras enfermedades neurologicas, como la esclerosis lateralamiotrofica (ELA).

Desarrollo

Metilacion e hidroximetilacion de la citosina

La metilacion de la citosina representa uno de los mecanismosepigeneticos mas importantes para la regulacion genica, y consisteen la adicion del grupo metilo en la posicion 5’ del anillopirimidınico de la citosina, lo cual es mediado por las enzimas DNA

methyltransferase (DNMT, «metiltransferasa del ADN») usando la S-adenosilmetionina (SAM) como compuesto donante del grupometilo3 (fig. 1). La metilacion del ADN en la posicion 5’ de lacitosina (5-metilcitosina) tıpicamente ocurre en el contexto deldinucleotido CpG, y la metilacion de las secuencias de CpG puedeinducir modificaciones conformacionales inhibiendo el acceso dela maquinaria transcripcional a las regiones promotoras, alterandolos niveles de expresion genica. La hipermetilacion de promotoresse asocia con el silenciamiento genico, y la demetilacion, conexpresion genica3.

Las enzimas de la familia ten-eleven translocation (TET,«translocacion diez-once») convierten la 5-metilcitosina en 5-hidroximetilcitosina (5-hmc), la cual es una forma modificada dela citosina 5’ hidroximetilada. Guo et al.4 demostraron que la enzima5-hidroximetilasa TET, mediante la conversion de 5-metilcitosina a5-hmc, promueve la demetilacion del ADN en mamıferos a travesde procesos que requieren la participacion de enzimas de la ruta dereparacion mediante escision de bases. La demetilacion de 5-hmc sepromueve por activacion de la deaminasa inducida y el apolipo-

protein B mRNA editing enzyme, catalytic polypeptide-like (APOBEC,«enzima editora de la apolipoproteına B mediante ARNm semejanteal polipeptido»), familia de la citidina deaminasa. Por otra parte, Tet1y Apobec1 estan involucradas en la actividad neuronal inducida enregiones especıficas del sistema nervioso central (SNC), en lademetilacion activa y en la subsecuente expresion genica en el girodentado de ratones adultos4. Tambien a la 5-hmc se la conoce comola sexta base del ADN, despues de adenina, guanina, timina, citosinay 5-metilcitosina, y esta base esta altamente representada en elcerebro5. Su baja afinidad por las proteınas fijadoras del grupo metiloevidencia que podrıa tener distintas funciones en la regulacion de laexpresion genica; ademas, esta implicada en el proceso de

CH2

H2C

H2C

H3N+

H3-X CH

COO–

SAH

a

H

OH OH

H HH

O

NH2

N

N

N

N

S

, estructura y cosustratos. La figura muestra la reaccion catalizada por la enzima

AH y el sustrato metilado CH3-X. Esta es una reaccion regulada negativamente por el

ica en varios tejidos.

«S-adenosilmetionina»).

ca (metilacion del acido desoxirribonucleico): contexto clınico en.doi.org/10.1016/j.medcli.2013.11.025


Genética

Genotipaje

Epigenotipaje

Epigenética

SNP

SMV

C A G T . . .

. . .

. . .

. . .

. . .

. . .

. . .

. . .

G T A T G GG GG GG G

G GG GG GG G

A TA TA T

G T

G T

G T

. . .

. . .

. . .

. . .

G T A TA TA TA T

G T

G T

G T

A A

A A

A A

A A

T

T

T

G

G

G

G T . . .

. . .

. . .

. . .

A A

A A

A A

A A

T

T

T

G

G

G

T

T . G

T

G

T

T

G

G

G

G

Cm

Cm

Cm

Cm

Cm

C

C

C

C

C

Cm

Cm

C

C

G

G

G

G . A

T

T

G

G

A

A

A

A

G

G

A

A

A

A

A

C

C

C

Haplotipo 1 Sin efecto fenotípico

Sin efecto fenotípico




Algun efecto fenotípico

Efecto fenotípico neto

Algun efecto fenotípicoHaplotipo 2

Hepitipo h1: 2e

Hepitipo h1: 1e

Hepitipo h2 : 1e

Hepitipo h2 : 2e

Epitipo 1

Epitipo 2

C AA

A

A

C

C

C

SNP

.

.

.

.

Figura 2. Concepto basico de hepitipos: genotipaje para SNP, lo cual define el

haplotipo (panel superior) y el epigenotipado de posiciones con metilacion variable,

lo cual definirıa a los epitipos (panel inferior). Estas 2 estrategias permiten definir

los hepitipos, los cuales estan asociados a un fenotipo de determinada enfermedad y

que pudiera no detectarse usando las 2 estrategias de manera independiente.

SNP: polimorfismo de un solo nucleotido.

Tomada de Murrell et al.8, 2005, con permiso de Oxford Press.

J.M. Laffita-Mesa, P. Bauer / Med Clin (Barc). 2013;xx(x):xxx–xxx 3

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demetilacion. Tambien contribuye 5-hmc a la regulacion de lapluripotencia de las celulas madre y esta conectada, ademas, con losprocesos del desarrollo y la carcinogenesis. Se cree que afectatambien el marcaje del ADN con 5-metilcitosina en el cerebro,posiblemente convirtiendo 5-metilcitosina en 5-hmc por lasenzimas TET6.

Modelos explicativos de la contribucion epigenetica a enfermedades

neurodegenerativas humanas

Modelo latent early-life associated regulation

Cada vez se hace mas evidente que el comienzo, la progresion yla gravedad de gran parte de las enfermedades neurologicas son elresultado de una mala adaptacion al estres endogeno y exogeno,siendo este el resultado de la vulneracion, mediante alteracionesgeneticas o marcas epigeneticas, o ambas, de la capacidad celularde responder a estımulos estresantes.

Los cambios epigeneticos pueden ocurrir en estadios tempranosde la vida y hacerse manifiestos en la edad adulta y la vejez. Estateorıa se conoce como el modelo latent early-life associated

regulation (LEARn)7. Segun esta teorıa, los factores ambientalespueden «envenenar» el genoma mediante marcas epigeneticas enfases tempranas de la vida, posiblemente durante la vida in utero.En gran medida este modelo explica la observacion de que losprocesos neurodegenerativos comienzan mucho antes de lamanifestacion de los sıntomas clınicos o de senales moleculares.Este concepto permite explorar la interaccion con el ambiente enlas etapas iniciales de la vida para prevenir eficientemente laneurodegeneracion.

El «hepitipo»

Las neurodegeneraciones muestran una gran variabilidadfenotıpica aun bajo el mismo contexto genetico, lo que hacedivisar como posible explicacion el componente epigenetico. Paraesto se ha puesto en marcha el Human Epigenome Project (http://www.epigenome.org/data/), que pretende determinar las posicio-nes de metilacion variable en el genoma para determinarsusceptibilidad diferencial a enfermedades y la variabilidadfenotıpica en cuanto a inicio, progresion, etc.8.

Este proyecto esta orientado al epigenotipaje masivo de lasmarcas epigeneticas transmitidas verticalmente. Unido a estedesarrollo tecnologico se ha derivado un concepto explicativo de lavariabilidad fenotıpica, en ausencia de heterogeneidad alelica y enpresencia de epialelos8,9. Una generalizacion de este concepto serıaque en presencia de fenotipos discordantes y con alelos similares,la presencia de sitios de metilacion variable y su estatus demetilacion pudiera definir la diferencia fenotıpica. Este conceptolleva implıcito el acceder a la informacion genetica en su nivel masıntimo, como es el perfil de haplotipo de polimorfismo de un solonucleotido, combinado con la identificacion de perfiles de metilacionde motivos CpG en un gen o genoma. Para esto, Murell et al.8, enanalogıa con el haplotipo, proponen la existencia del «hepitipo», elcual combina ambas informaciones, genetica y epigenetica,permitiendo diseccionar ambas contribuciones al fenotipo (fig. 2).

Epigenetica y enfermedades neurodegenerativas

Las enfermedades neurodegenerativas se caracterizan porla perdida gradual de celulas en el sistema nervioso. En el SNCesa perdida tiene consecuencias devastadoras sobre la cognicion yla locomocion, dado que las neuronas tienen una capacidadlimitada de regenerarse.

La EA, la (EH), la enfermedad de Parkinson (EP), la distrofiamiotonica (DM), la ELA y las ataxias de Friedreich (AF)y SCA7tienen una base epigenetica10–12. Describiremos algunas de lasevidencias que apoyan este punto de vista en ELA, AF y SCA7.


Esclerosis lateral amiotrofica

La ELA es una enfermedad neurodegenerativa que afecta tantomotoneuronas inferiores, del tallo cerebral y de la medula espinal,como las motoneuronas de la corteza. La ELA afecta a 6-8 de cada100.000 personas en todo el mundo, considerandose unaenfermedad no rara. La perdida progresiva de motoneuronasconduce a la atrofia muscular, la debilidad, fasciculaciones yespasticidad. La generalizacion de la enfermedad en el pacientecausa la muerte generalmente en unos 2 anos. Existen evidenciasclaras de que factores geneticos contribuyen de forma multifacto-rial o monogenica al inicio y desarrollo de la ELA; dentro de estosgenes estan TDP43, FUS, SOD1, ATXN2 y C9ORF7213.

Al menos para SOD1, se propone que el mecanismo primordialque desencadena la cascada patologica en la ELA es la agregacionde proteınas misfolded, o la presencia de precursores oligomericoscomplejos, lo que da al traste con la homeostasis de proteınascelulares, induciendo estres celular. Esto, a su vez, interfiere convarias funciones celulares, como el transporte, la arquitecturacelular y la funcion mitocondrial, causando estres celular,retraccion axonal, y ulteriormente, muerte celular14. Se handescrito casos asociados al gen ELP3, que codifica la unidadcatalıtica de la histona acetiltransferasa del complejo de elonga-cion 3. Esta molecula, ELP3, regula la expresion de Hsp70 a traves


http://www.epigenome.org/data/

http://www.epigenome.org/data/



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de las modificaciones H3K14 y la acetilacion de H4K8. Lasobreexpresion de Hsp70 permite el aclaramiento de los agregadosen un modelo murino10,15, y ademas, protege contra la muertecelular inducida por SOD1 mutante en modelos neuronales in

vitro16. Esto evidencia una conexion indirecta de un mecanismoregulatorio epigenetico cadena arriba, en la cascada neurodege-nerativa de la SOD1 mutante.

Por otra parte, dado que no se conocıa si la metilacion aberrantepodıa causar neurodegeneracion, se planteo que las DNMTmediaban la muerte neuronal en ELA. El reforzamiento de laexpresion de Dnmt3a indujo degeneracion de celulas NSC34aparejado a la induccion del factor apoptotico camptotecina yaumento de Dnmt1 con acumulacion 5-metilcitosina en nucleo. Laestrategia contraria de supresion de las DNMT mediante inhibicionfarmacologica, silenciamiento por ARNi o mutagenesis bloqueo lametilacion de CpG y la apoptosis en motoneuronas murinas. Todoesto fue confirmado en motoneuronas humanas modelo de ELA,concluyendose que la neurodegeneracion en ELA podıa regularseepigeneticamente mediante metilacion del ADN17.

Ataxia de Friedreich

La AF es una enfermedad autosomica recesiva ocasionada poruna mutacion homocigotica en el gen FRDA. El gen de la frataxina,en su forma mutada, tiene una expansion del triplete GAAresponsable de la AF. Esta mutacion se situa en el intron 1 einterfiere con la expresion de la frataxina, que es una proteınadecisiva en el metabolismo del hierro y que se localiza en lamitocondria. La perdida de funcion de la proteına esta relacionadacon alteraciones en el metabolismo del hierro y de los centroshierro-azufre, ası como con el estres oxidativo, todo lo cual tieneuna repercusion sistemica que es responsable de las manifes-taciones clınicas de la AF18.

El intron 1 del gen FRDA contribuye a la actividad promotora delgen y contiene residuos CpG metilables19. Se ha visto que laexpresion de la version mutada es regulada por el patron demetilacion, influyendo en el inicio del sındrome y la gravedaddel fenotipo20. La metilacion es responsable del 30% de lavariabilidad en la edad de comienzo, ademas de la contribuciondel fondo genetico y de los factores ambientales. Estos mismosautores observaron que la metilacion de este promotor secorrelaciona con el tamano de la expansion GAA21.

Ataxia espinocerebelosa tipo 7

Al igual que la AF, la SCA7 es causada por una expansion detripletes, pero de CAG, y a diferencia de AF, este triplete se localizaen una region codificante en el gen correspondiente ATXN7 y setraduce en un segmento poliglutamınico. La ataxia SCA7 se heredasiguiendo una herencia autosomica dominante. Como consecuen-cia del contexto genomico, del haplotipo cercano a la expansion,este segmento es inestable geneticamente, o sea, puede heredarsecon una mutacion mucho mas larga o mas corta, afectando elfenotipo. En tejidos no germinales esta inestabilidad se evidenciaen un patron ordenado en «diente de serrucho», que representapoblaciones celulares que tienen diferentes tamanos de CAG(conocido por mosaicismo somatico) y que contribuye a lapatogenesis. Esta inestabilidad del triplete de CAG es caracterısticade las enfermedades por trinucleotidos, denominandolas mutacio-nes dinamicas.

Se ha planteado que la metilacion del sitio de union del factortranscripcional CTCF desestabiliza las expansiones de tripletes, dela misma manera que lo hacen mutaciones en este sitio. Esto seevidencio por inestabilidad germinal y somatica en un modelomurino de SCA722. Previamente se vio que los sitios de union deCTCF flanquean a las repeticiones de CTG/CAG en varios loci

asociados con enfermedades de esta naturaleza, como la DM, laDRPLA, la SCA2 y la EH, pero no para los genes de SCA1, SCA6 y


SBMA23. Por ello, gran parte de la inestabilidad de los segmentos deCAG se justifica por la presencia de sitios de CTCF en 5 de los 8genes causantes de enfermedades poliglutamınicas, si bien enotros genes donde no se observan sitios de este tipo, como elATXN1, la influencia de la epigenetica no se desestima. En SCA1 lasupresion de la Dnmt1 incrementa la inestabilidad del CAG dellocus ATXN1, ası como aumenta la metilacion aberrante en la lıneagerminal de un modelo murino de esta enfermedad24.

Metilacion epigenetica y mutacion en la ataxia espinocebelosa tipo 2

(ATXN2)

La SCA2 es causada por una expansion anomala del triplete deCAG en el gen codificante de la ataxina-2. Las caracterısticaspatologicas de la SCA2 son la atrofia y perdida de las celulas dePurkinje del cerebelo, manifestandose clınicamente como deficitde la coordinacion motora que afecta la mirada, la prosodia, lamarcha y la estabilidad postural25.

En dependencia de la longitud de esta expansion, se hanidentificado un elenco de enfermedades neurologicas y neuropsi-quiatricas. Estos niveles de variabilidad fenotıpica no sonexplicables solamente por la heterogeneidad genetica. Previa-mente se propuso que la metilacion del ADN alelo especıficadisminuye la gravedad de la SCA226. Por tanto, las diferenciasfenotıpicas interindividuales que no pueden explicarse solo porla contribucion del CAG podrıan estar dadas por diferencias en lacapacidad de metilacion de novo entre los pacientes con SCA2.La pleiotropıa de esta mutacion tambien evidencia un componenteepigenetico diferencial en los tejidos, ası como en los estadiosde la vida.

Recientemente, nuestro grupo demostro que la metilacion delADN se asocia al alelo mutante y que modula la gravedad de laenfermedad27. Ademas, esta marca epigenetica tambien tuvo unefecto en trans sobre el inicio de la SCA3. En portadoreshomocigoticos de la mutacion SCA2 (o sea, sin heterogeneidadalelica), se demostro un patron de metilacion consistente conhipermetilacion y retardo en el inicio o ausencia de sıntomasclınicos, siendo reminiscencia del concepto de «hepitipo». Dadoque esta mutacion tambien esta involucrada con otras neurode-generaciones como el parkinsonismo y la ELA, es muy probable queparte de la contribucion epigenetica de estas enfermedades seatribuya al patron de metilacion del gen ATXN2.

Existen otros hallazgos que ligan este locus y su producto genicocon procesos epigeneticos. La funcion de ataxina-2 es desconocida,sin embargo, recientemente se situo esta en la ruta de los mi-ARN,siendo requerida para la optima represion mediada por mi-ARN devarios transcriptos en los glomerulos de receptores del olor28.Nuevos trabajos muestran una interaccion entre el reguladortranscripcional (ZBRK1) y ataxina-2. El complejo ZBRK1/ATXN2activa la expresion de ataxina-229. Mucho mas recientemente sedemostro, en modelos animales, que, al contrario de lo que sepensaba, la transcripcion de este gen comienza por el segundo sitiode inicio de la transcripcion, y no por el primero, ambos muyproximos en la secuencia, separados por �300 pb30. Aguiar et al.encontraron que la region promotora se extendıa desde �436 pb a362 relativo al primer ATG (768 pb)31. Este promotor tiene unaregion core de �250 pb que incluyen varias secuencias regula-doras, a la cual se une Sp127.Tambien se une el factor ETS1 (delingles E-twenty six), necesario para la expresion de ATXN2, lo cual,ademas, involucra el remodelamiento de la region cromatineanaque se une al promotor SCA230. Estos hallazgos son compatiblescon un efecto regulatorio de la metilacion sobre el primer ATG,posiblemente silenciando, actuando como control epigenetico dela expresion de variantes ataxina-2 potencialmente mas patoge-nicas. Este control epigenetico pudiera estar mediado por laparticipacion de long-non-coding RNA como recientemente se



≥ 32CAG

CAG repeats

Metilación

Acetilación

CpG metilado

CpG no metilado

Silenciamiento

ETS1 ZBRK1

ATXN2

On

Figura 3. Metilacion y patogenesis en la ataxia espinocerebelosa tipo 2. Cuando existe un correcto balance en el control de la expresion de ataxina-2 mediante metilacion de la

region promotora, la celula puede controlar el dano por acumulacion de la proteına expandida, o la falta de la proteına normal. Cuando se pierde este equilibrio con el

envejecimiento, el estres o el secuestro en cuerpos de inclusion por parte de la misma ataxina-2, entonces la acumulacion de esta proteına es una senal de activacion del gen

mediante hipometilacion, lo cual genera un dano celular que puede desembocar en una sobreexpresion de ataxina-2 expandida. En estas condiciones se rompe el control de

expresion mediado por otros reguladores como ETS1 y ZBRK1.

ETS1: E-twenty six; ZBRK1: KRAB-containing zinc-finger transcriptional regulator.

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describio30, abriendo una potencial aplicacion terapeutica para lasenfermedades conectadas con alteraciones geneticas del tipo CAGexpandidos en el gen ATXN2 (fig. 3).

Ataxina-2 tiene una expresion ubicua en el cuerpo, con unafuerte expresion en varias poblaciones neuronales, y ademas seinduce por estres nutricional y en la vejez32. Se ha postulado undano presintomatico o neonatal de la expansion ATXN2, quepudiera ser acumulativo y manifestarse a posteriori33; todo estoen plena concordancia con el modelo LEARn. La deficiencia de estaproteına es perjudicial durante el desarrollo embrionario25,34. Lasexpansiones masivas � 200 CAG se asocian con fenotipos neona-tales, infantiles y con un cuadro distinto en cuanto a inicio yprogresion, comparado con el de las expansiones patogenicas mascomunes. Basado en las marcas epigeneticas en ATXN2 y en ladisminucion de ataxina-2 en celulas pluripotentes, se plantea quelas celulas en estadios embrionarios son susceptibles a lahipermetilacion y que tanto la sobreexpresion como la perdidapor silenciamiento contribuyen a la neurodegeneracion. Hallazgosque apoyan esto son la alta expresion de ataxina-2 en neuronasdiferenciadas35 y el retardo en el desarrollo de portadores deexpansiones masivas36.

Conclusiones

Los estudios en oncologıa sirvieron de pavimento tecnologicopara la extension de la epigenetica a otros fenotipos. En 2009, unpanel de expertos, oncologos en su mayorıa, limito su revision a ungrupo selecto de enfermedades neurologicas humanas en partemuy raras10, y a otras donde los mecanismos epigeneticos solose vislumbraban desde lejos. Hoy se ha confirmado que losmecanismos epigeneticos cada vez estan mas vinculados con eldesarrollo de enfermedades humanas y existe evidencia crecientede una base epigenetica en las neurodegeneraciones tales como EA,EP, ELA, ataxias y EH. El conocimiento en profundidad de estosprocesos sera crucial no solo para entender la patogenesis de estasenfermedades, sino tambien su inicio, gravedad y pronostico.Especial interes reviste el estudio de la metilacion del ADN por supotencial aplicacion en la clınica de las neurodegeneraciones,donde las alteraciones geneticas causales no explican en granmedida el elenco fenotıpico asociado. En el caso particular del genATXN2, causal no solo de la SCA2, sino ademas contribuyente deotros fenotipos mucho mas frecuentes como ELA y EP, la presenciade metilacion de ADN en la region promotora promete ser unaexplicacion alternativa y aplicable a la clınica. Tambien debemos


poder entender los procesos de inactivacion de genes mediantemetilacion, para poder discernir el papel de este fenomeno comocausal de otras enfermedades neurologicas para las que hoy nose han identificado lesiones geneticas, y de las cuales la relacionentre factores geneticos y ambientales es indicativa de uncomponente epigenetico. Finalmente, nuestro conocimiento seha impulsado por el desarrollo tecnologico en las tecnicas deanalisis de los patrones de metilacion y se proyectara al areaterapeutica. Esto implica que son necesarias mejoras sustancialesen las tecnicas actuales para poder analizar no solo un gen, sinogrupos de genes durante la vida y en varios tejidos para poner encontexto clınico y en la aplicacion de intervenciones terapeuticasbasadas en los procesos epigeneticos. Por tanto, el numero deenfermedades impactadas por la epigenetica en el futuro sera muchomas grande de lo que creemos, y los avances en el tratamiento deestas dependeran de nuestros logros en la terapia epigenetica.

Financiacion

Los autores fueron financiados en parte por el proyectoTWAS06-329 RG/BIO/LA UNESCO FR: 3240157855, y por elMinisterio de Salud Publica cubano (MINSAP).

Conflicto de intereses

Nada a declarar.

Agradecimientos

Agradecemos a los pacientes de SCA2, quienes durante mas 30anos han contribuido con el estudio clınico genetico.

Bibliografıa

1. Graff J, Franklin TB, Mansuy IM. Epigenetics of brain disorders. En: Tollefsbol T,editor. Handbook of Epigenetics: The New Molecular and Medical Genetics.Amtesrdam: Academic Press;2011

2. Lalucque H, Malagnac F, Silar P. Prions and prion-like phenomena in epigeneticinheritance. Epigenetics of brain disorders. Handbook of Epigenetics: The newmolecular and medical Genetics. DOI:10.1016/B978-0-12-375709-8. 00005-8.

3. Ulrey C, Liu L, Andrews L, Tollefsbol T. The impact of metabolism on DNAmethylation. Hum Mol Gen. 2005;14:R139–47.

4. Guo JU, Su Y, Zhong C, Ming GL, Song H. Hydroxylation of 5-methylcytosine byTET1 promotes active DNA demethylation in the adult brain. Cell. 2011;145:423–34.

5. Munzel M, Globisch D, Carell T. 5-Hydroxymethylcytosine, the sixth base of thegenome. Angew Chem Int Ed Engl. 2011;50:6460–8.


http://refhub.elsevier.com/S0025-7753(13)00856-7/sbref0015









G Model


6. Van den Hove DL, Chouliaras L, Rutten BP. The role of 5-hydroxymethylcytosinein aging and Alzheimer’s disease: Current status and prospects for futurestudies. Curr Alzheimer Res. 2012;9:545–9.

7. Maloney B, Sambamurti K, Zawia N, Lahiri DK. Applying epigenetics to Alzhei-mer’s disease via the latent early-life associated regulation (LEARn) model. CurrAlzheimer Res. 2012;9:589–99.

8. Murrell A, Rakyan VK, Beck S. From genome to epigenome. Hum Mol Genet.2005;14:R3–10, http://dx.doi.org/10.1093/hmg/ddi110.

9. Rakyan VK, Blewitt ME, Druker R, Preis JI, Whitelaw E. Metastable epialleles inmammals. Trends Genet. 2002;18:348–51.

10. Urdinguio RG, Sanchez-Mut JV, Esteller M. Epigenetic mechanisms in neurologicaldiseases: Genes, syndromes, and therapies. Lancet Neurol. 2009;8:1056–72.

11. Fuso A. The ‘golden age’ of DNA methylation in neurodegenerative diseases.Clin Chem Lab Med. 2012. 10.1515/cclm-2012-0618.

12. Coppede F. Advances in the Genetics and Epigenetics of neurodegenerativediseases. Versita; 2012. pp. 2-30. DOI: 10.2478/end-2012-0002.

13. Andersen PM, Al-Chalabi A. Clinical genetics of amyotrophic lateral sclerosis:What do we really know? Nat Rev Neurol. 2011;7:603–15.

14. Robberecht W, Philips T. The changing scene of amyotrophic lateral sclerosis.NAT REV NEUROSCI. 2013. 10.1038/nrn3430.

15. Koyama S, Arawaka S, Chang-Hong R, Wada M, Kawanami T, Kurita K, et al.Alteration of familial ALS-linked mutant SOD1 solubility with disease progres-sion: Its modulation by the proteasome and Hsp70. Biochem Biophys ResCommun. 2006;343:719–30.

16. Patel YJ, Payne Smith MD, de Belleroche J, Latchman DS. Hsp27 and Hsp70administered in combination have a potent protective effect against FALS-associated SOD1-mutant-induced cell death in mammalian neuronal cells.Brain Res Mol Brain Res. 2005;134:256–74.

17. Chestnut BA, Chang Q, Price A, Lesuisse C, Wong M, Martin LJ. Epigeneticregulation of motor neuron cell death through DNA methylation. J Neurosci.2011;31:16619–36.

18. Koeppen AH, Morral JA, McComb RD, Feustel PJ. The neuropathology of late-onset Friedreich’s ataxia. Cerebellum. 2011;10:96–103.

19. Castaldo I, Pinelli M, Monticelli A, Acquaviva F, Giacchetti M, Filla A, et al. DNAmethylation in intron 1 of the frataxin gene is related to GAA repeat length andage of onset in Friedreich ataxia patients. J Med Genet. 2008;45:808–12.

20. Evans-Galea MV, Carrodus N, Rowley SM, Corben LA, Tai G, Saffery R, et al. FXNmethylation predicts expression and clinical outcome in Friedreich ataxia. AnnNeurol. 2012;71:487–97.

21. Al-Mahdawi S, Mouro PR, Ismail O, Dhaval V, Lymperi S, Sandi C, et al. TheFriedreich ataxia GAA repeat expansion mutation induces comparable epige-netic changes in human and transgenis mouse brain and heart tissues. Hum MolGenet. 2008;17:735–46.

22. Libby RT, Hagerman KA, Pineda VV, Lau Rb, Cho DH, Baccam SL, et al. CTCF cis-regulates trinucleotide repeat instability in an epigenetic manner:. a novel basisfor mutational hot spot determination. 2008. PLoS. Genet. 4, e1000257.


23. Filippova GN, Thienes CP, Penn BH, Cho DH, Hu YJ, Moore JM, et al. CTCF-bindingsites flank CTG/CAG repeats and form a methylation-sensitive insulator at theDM1 locus. Nat Genet. 2001;28:335–43.

24. Dion V, Lin Y, Hubert Jr L, Waterland RA, Wilson JH. Dnmt1 deficiency promotesCAG repeat expansion in the mouse germline. Hum Mol Genet. 2008;17:1306–17.

25. Lastres-Becker I, Rub U, Auburger G. Spinocerebellar ataxia 2 (SCA2). Cerebel-lum. 2008;7:115–24.

26. Bauer PO, Zumrova A, Matoska V, Mitsui K, Goetz P. Can ataxin-2 be down-regulated by allele-specific de novo DNA methylation in SCA2 patients? MedHypotheses. 2004;63:1018–23.

27. Laffita-Mesa JM, Bauer Peter O. Kourı Vivian. Epigenetics DNA-Methylation inthe core ataxin-2 gene promoter: Novel physiological and pathological impli-cations. Hum Genet. 2012. 10.1007/s00439-011-1101- y.

28. McCann C, Holohan EE, Das S, Dervan A, Larkin A, Lee JA, et al. The Ataxin-2protein is required for microRNA function and synapse-specific long-termolfactory habituation. Proc Natl Acad Sci U S A. 2011. doi/10. 1073/pnas.1107198108.

29. Hallen L, Klein H, Stoschek C. The KRAB-containing zinc-finger transcriptionalregulator ZBRK1 activates SCA2 gene transcription through direct interactionwith its gene product, ataxin-2. Hum Mol Gen. 2011;20:104–14.

30. Scoles DR, Pflieger LT, Thai KK, Hansen ST, Dansithong W, Pulst SM. ETS1regulates the expression of ATXN2. Human Molecular Genetics. 2012.doi:10.1093/hmg/dds349.

31. Aguiar J, Santurlidis S, Nowok J, Alexander C, Rudnicki D, Gispert S, et al.Identification of the physiological promoter for spinocerebellar ataxia 2 genereveals a CpG island for promoter activity situated into the exon 1 of this geneand provides data about the origin of the nonmethylated state of these types ofislands. Biochem Biophys Res Commun. 1999;254:315–8.

32. Huynh DP, del Bigio MR, Ho DH, Pulst SM. Expression of ataxin-2 in brains fromnormal individuals and patients with Alzheimer’s disease and spinocerebellarataxia 2. Ann Neurol. 1999;45:232–41.

33. Jung BC, Choi SI, Du AX, Cuzzocreo JL, Ying HS, Landman BA, et al. MRI shows aregion-specific pattern of atrophy in spinocerebellar ataxia type 2. Cerebellum.2011. DOI 101007/s12311-011-0308- 8.

34. Kiehl TR, Nechiporuk A, Figueroa KP, Keating MT, Huynh DP, Pulst SM, et al.Generation and characterization of Sca2 (ataxin-2) knockout mice. BiochemBiophys Res Commun. 2006;339:17–24.

35. Xia G, Santostefano K, Hamazaki T, Liu J, Subramony SH, Terada N, et al.Generation of Human-Induced Pluripotent Stem Cells to Model SpinocerebellarAtaxia Type 2 In vitro. J Mol Neurosci. 2013. 10.1007/s12031-012-9930-2.

36. Babovic-Vuksanovic D, Snow K, Patterson MC, Michels VV. Spinocerebellarataxia type 2 (SCA2) in an infant with extreme CAG repeat expansion. Am JMed Genet. 1998;79:383–7.








http://dx.doi.org/10.1093/hmg/ddi110



















































































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Herencia epigenética (metilación del ácido desoxirribonucleico): contexto clínico en neurodegeneraciones y gen ATXN2