Annales Nestlé Reimpreso con permiso de: Ann Nutr Metab 2012;60(suppl 3):38–43 DOI: 10.1159/000337363 ¿Por qué la genética es importante para la nutrición? Lecciones de investigación epigenética Frank M. Ruemmele Hélène Garnier-Lengliné Servicio de Gastroenterología Pediátrica, Hôpital Necker-Enfants Malades, INSERM U989, Université París Descartes, Sorbonne Paris Cité, París, Francia Mensajes clave • Las intervenciones nutricionales dirigidas pueden modificar la expresión génica de manera permanente: esto puede llevarse a cabo mediante modificación epigenética (es decir, la metilación de histonas o de DNA dirigido). • Uno de los mecanismos reguladores epigenéticos muy complejos y no nuevo es a través de microRNA no codificante. • Con base en la comprensión de la regulación epigenética de la expresión de los genes, ha emergido un nuevo concepto que indica que las intervenciones nutricionales tempranas específicas durante un corto periodo (impronta nutricional) podría establecer el detonante inicial para el desarrollo de enfermedades décadas después. Palabras clave Metilación del DNA epigenética • Cohorte por hambruna • Expresión génica • Nutrigenética •Nutrigenómica impronta nutricional • Nutrición pediátrica Antecendentes Se han logrado grandes avances durante la última década al descifrar los mecanismos moleculares sobre cómo los factores nutricionales externos pueden tener © 2012 Nestec Ltd., Vevey/S. Karger AG, Basel 0250–6807/12/0607–0038$38.00/0 Fax +41 61 306 12 34 E-Mail karger@karger.ch www.karger.com un impacto sobre la regulación de los genes y con ello su función sin la modificación del código genético. Este campo de investigación nutrigenómica se explota literalmente. Con la comprensión de los mecanismos de control epigenético, como la metilación del DNA, la acetilación, metilación y fosforilación de histonas, así como la regulación postranscripcional de la expresión génica mediante microRNA no codificantes, fueron posibles diversas estrategias experimentales y analíticas para elucidar cómo el soporte nutricional variable tiene un impacto sobre funciones específicas, con efectos a corto y es posible que a largo plazo. Esta revisión destaca los principios más importantes de los mecanismos de control epigenético y su vínculo con influencias nutricionales particulares. Los datos epidemiológicos, como los estudios de la hambruna holandesa, sugieren que las intervenciones nutricionales dirigidas podrían ser causa de efectos a largo plazo sobre la salud, como el riesgo incrementado de enfermedades cardiovasculares y síndrome metabólico en esta cohorte. Sin embargo, hasta ahora la mayoría del conocimiento proviene de datos experimentales y en animales, lo cual no puede transferirse con facilidad a situaciones en humanos. Se espera que en los siguientes años, se realicen importantes avances para traducir este conocimiento de intervención nutricional en la regulación y expresión de los genes en programas preventivos de salud. Copyright © 2012 Nestec Ltd., Vevey/S. Karger AG, Basel. Prof. Frank M. Ruemmle, MD, PhD Pediatric Gastroenterology, Hôpital Necker-Enfants Malades INSERM U989, Université Paris Descartes, Sorbonne Paris Cité 149 Rue de Sèvres, FR-75015 Paris (Francia) Tel. +33 1 44 49 25 16, E-Mail frank.ruemmle@nck.aphp.fr Introducción ¿La genética y el conocimiento en genética son importantes para la nutrición? Hay una respuesta clara: sí. Detrás de esta respuesta se encuentran nuevos conceptos interesantes, como la impronta/programación genética y los efectos a largo plazo de intervenciones nutricionales particulares, así como la nutrición individualizada. Durante la última década, se han hecho grandes avances en el campo de la genética, abriendo nuevas áreas de investigación; se ha logrado una profunda investigación acerca de los efectos de la nutrición sobre las vías de señalización en situaciones tanto fisiológicas como patológicas. Una pregunta importante es: ¿las intervenciones nutricionales dirigidas presentan el potencial para prevenir situaciones clínicas adversas, o, en contraste, para reforzar los efectos positivos a corto plazo así como a largo plazo? Si este es el caso, ¿cómo podría lograrse esto y cuál es el mejor momento para las intervenciones nutricionales dirigidas? ¿Existe una ventana de oportunidad y un periodo crítico (y quizás también vulnerable) en la vida, donde los cambios en el soporte nutricional puedan ocasionar efectos más allá del simple suministro energético, y, en potencia, a la distancia de una intervención nutricional (meses o años después)? Para evaluar estas interesantes preguntas en este artículo de revisión, se llevó a cabo una investigación de bibliografía enfocada en situaciones particulares en humanos, así como en estudios experimentales y animales representativos. Sin embargo, será difícil extrapolar las experiencias y conocimientos obtenidos en modelos animales en situaciones particulares en humanos sin alguna crítica. Una estrategia es valorar estas preguntas mediante estudios epidemiológicos y de cohorte. La información sobre la importancia del suministro nutricional durante un periodo crítico sobre resultados a largo plazo se obtuvo de la cohorte de Una pregunta importante es: ¿las intervenciones nutricionales dirigidas tienen el potencial para prevenir resultados adversos en salud o para reforzar efectos positivos tanto a corto como a largo plazo? hambruna holandesa. Durante la ocupación Nazi en el invierno de 1944, el suministro de alimentos se redujo en extremo en algunas zonas de los Países Bajos, un desastre humanitario real. Esta escasez extrema de alimentos ocurrió durante un periodo corto y mostró un elocuente impacto en situaciones particulares, como los embarazos en proceso. Los estudios en la cohorte holandesa analizaron el resultado de embarazos que Lecciones sobre epigenética ocurrieron durante el periodo de hambruna y las consecuencias de la desnutrición materna masiva en su descendencia a largo plazo. Se recolectaron numerosos datos con el seguimiento a largo plazo de esta cohorte:1–3 se encontró un riesgo incrementado de enfermedades cardiovasculares cuatro o cinco décadas después en aquellos niños nacidos de madres que experimentaron desnutrición grave en extremo durante el primer trimestre del embarazo.4 La incidencia de enfermedades cardiovasculares fue dos veces mayor en este grupo en comparación con la cohorte de control.4 Sin embargo, no sólo se incrementó el riesgo de enfermedades cardiovasculares en esta cohorte particular, dicha alteración nutricional también incrementó el riesgo de afecciones metabólicas, incluidos obesidad y cáncer de mama durante décadas después.5–7 Sin embargo, dependiendo del momento de inanición (etapas tempranas vs. tardías del embarazo, y desnutrición preconcepcional o después del nacimiento), se observaron diferencias marcadas que indican que el primer trimestre del embarazo es un periodo particularmente vulnerable. ¿Cuál puede ser la base molecular que explique estas observaciones? Nutrigenómica y Nutrigenética En años recientes, a partir de excelentes modelos experimentales, hemos aprendido que existe una maquinaria compleja que controla de manera estrecha la regulación de la expresión génica y la función de los genes y sus productos. De hecho, los datos experimentales han mostrado a qué grado esta maquinaria es influenciada por factores endógenos y exógenos y por lo tanto está predispuesta en particular a la impronta nutricional.8–11 La interacción entre nutrición y genes puede separarse en dos dimensiones: el impacto de los factores nutricionales en la regulación y expresión de los genes, que se resume por el término “nutrigenómica”, y el hecho de que las variantes genéticas predefinen los requerimientos y tolerancia nutricionales bajo situaciones fisiológicas y fisiopatológicas particulares. Esta intervención ahora se denomina “nutrigenética”. Este segundo tópico no se desarrolla en este artículo de revisión, pero se ha cubierto en varias revisiones sobresalientes.12–15 Regulaciones epigenéticas: mecanismos moleculares Los análisis moleculares revelaron que la regulación de los genes está controlada por tres mecanismos: modificación de las histonas, metilación de DNA y microRNA. La modificación de las histonas se refiere a la manera en que el DNA está empaquetado alrededor de complejos proteicos, las denominadas histonas. Este empaquetamiento del DNA no sólo es una manera mecánica para almacenar y proteger al DNA, sino además una manera muy eficiente de activar o desactivar genes según su localización geométrica, lo que permite el acceso estereométrico de factores de transcripción a las regiones promotoras correspondientes. Cualquier modificación de Reimpreso con permiso de: Ann Nutr Metab 2012;60(suppl 3):38–43 39 este empaquetamiento del DNA podría dar paso a cambios en la accesibilidad de diferentes genes para transcripción lo cual tiene un impacto directo sobre las funciones genéticas. Está bien establecido que las estructuras de las histonas puede modificarse por metilación, acetilación o simple fosforilación activa,16–19 un sistema muy eficiente para controlar la expresión génica. La metilación del DNA se refiere al hecho de que el DNA humano contiene numerosas áreas ricas en elementos CpG, denominados islotes CpG, que se caracterizan por un residuo de citosina seguido de guanina en dirección 5’ a 3’.20, 21 Estos islotes se metilan con facilidad. El estado de metilación de los islotes CpG en las regiones promotoras de genes específico interfiere con eficiencia en la transcripción del gen correspondiente (Figura 1). Una metilación elevada significa un acceso reducido de los factores de transcripción específicos a la región promotora, mientras una metilación baja o ausente ocasiona una accesibilidad transcripcional reforzada.22,23 Por lo general, los residuos CpG están metilados, mientras las regiones promotoras de gen de housekeeping se encuentran sin metilar por completo. Este proceso de metilación del DNA está regulado de modo estrecho por una compleja maquinaria enzimática. Es comprensible que dependiendo de la presencia o ausencia de elementos CH3, el grado de metilación esté posibilitado o no. Los microRNA son moléculas pequeñas de RNA no codificantes. Es una familia de moléculas que ha crecido con rapidez y, hasta ahora, se han descrito más de 1,000 microRNA.24–26 La intensa investigación en años recientes ha identificado que alrededor de un tercio de los genes codificantes están regulados por microRNA. Este proceso es regulador descendiente a partir de la regulación transcripcional y escapa bien a la complejidad de controlar la expresión y función de genes y sus productos finales. Se cuenta con excelente evidencia de que una manera eficiente para silenciar un gen es la metilación de los residuos de lisina en la histona H3 en la posición K9 o K27, mientras que la desmetilación en los mismos sitios provoca la activación del gen relacionado. Estas modificaciones complementarias en diferentes niveles tienen un impacto sobre la expresión y función de los genes sin modificación del código genético se resume ahora en el término “epigenética” o “modificación epigenética” –que significa que la regulación se encuentra a nivel posDNA. Se cuenta con excelente evidencia acerca de que una manera 40 Reimpreso con permiso de: Ann Nutr Metab 2012;60(suppl 2):38–43 Factor de transcripción Expresión génica FT Gen Región promotora Proteína de unión a metilo FT Sin expresión génica CH3 HN O Elementos CpG C N Citosina ACTIVADA H NH2 HN O C N CH3 NH2 5-metilcitosina DESACTIVADA Figura 1. Modificación epigenética de la expresión génica. A través de la metilación de islotes ricos en CpG en las regiones promotoras de un gen específico, este puede desactivarse (o activarse) con gran potencia (y de manera permanente). eficiente para silenciar un gen es la metilación de residuos de lisina en la histona H3 en la posición K9 o K27, mientras la desmetilación en los mismos sitios ocasiona la activación del gen relacionado. Además, la acetilación de histonas también demostró provocar la activación génica.27, 28 Estas modificaciones epigenéticas son mecanismos importantes implicados en la diferenciación de células y tejidos durante el desarrollo y también para adaptarse a influencias internas o externas que requieren funciones diferenciadas.23 Es importante notar que las modificaciones epigenéticas pueden ser permanentes y se heredan por mitosis. Lecciones de modelos animales: cómo las modificaciones nutricionales pueden tener un impacto sobre el fenotipo y las condiciones de salud El potencial de la modificación nutricional sobre el fenotipo se ha demostrado en modelos experimentales, como en ratones agouti.29 Dependiendo de la dieta materna (una dieta con alto o bajo contenido de CH3) antes o durante el embarazo así como durante el periodo de lactancia materna, el fenotipo de los cachorros difiere de manera marcada. Esto se conoce bien, pero el fenómeno inexplicado por largo tiempo se elucidó en fecha reciente a nivel molecular debido a la comprensión creciente de la regulación epigenética. De hecho, la variación de la dieta materna es capaz de influir sobre la expresión génica durante el desarrollo, como se demostró para el gen agouti en estos Ruemmele/Garnier-Lengliné Figura 2. Fotografías que destacan el concepto de una intervención nutricional temprana durante una ventana de oportunidad (impronta nutricional) en un resultado de salud a largo plazo. Ventana de oportunidad Periodo vulnerable: desarrollo, crecimiento Inicio de la enfermedad ratones, que provoca un fenotipo particular al nacimiento, es decir, pelaje amarillento.30 Este gen particular se expresa en los folículos pilosos de ratones durante una etapa breve del desarrollo y crecimiento del pelaje y codifica una molécula de señalización paracrina responsable de la producción de un pigmento amarillo. En ratones normales y silvestres, aparece una banda amarilla en el pelaje de otro modo marrón. Una inserción espontánea intracisternal A parcial (IAP) en el gene agouti, un retrotransposon común en el genoma del ratón, da lugar a un agouti amarillo viables (Aav).29 Debido a un promotor críptico dentro de IAP, ocurre una expresión permanente y constitutiva de agouti en todos los tejidos de los ratones Aav, que brinda una capa amarilla. Por otra parte, estos ratones son en extremo obesos, debido a la expresión ectópica de agouti en el hipotálamo. La proteína agouti se une de manera antagónica con el receptor de melanocortina-4 en el hipotálamo, que es responsable de hiperfagia masiva observada en estos cachorros. La inserción de un IAP en el gen agouti ocasiona variabilidad interindividual espontánea en la metilación de CpG en el locus Aav. Por ello, dentro de una sola camada de ratones Avy/a genéticamente idénticos, debido a diferentes estados de metilación, los cachorros pueden presentar todas las variantes posibles del fenotipo desde amarillos y obesos por completo a marrones y delgados (el fenotipo “agouti” normal). El fenotipo agouti normal refleja un estado de metilación elevada que provoca la represión completa del gen agouti. Por otro lado, se hace comprensible con facilidad cómo la suplementación de colina y vitaminas (B12 y ácido fólico) antes y durante el embarazo influye sobre el fenotipo de la descendencia. Waterland y colaboradores30 demostraron a nivel molecular que las diferencias en la suplementación alimenticia materna producen diferencias en el estado de metilación de Aav. Se observó una correlación clara entre el grado de metilación y el fenotipo adulto definitivo de la descendencia.30 Este es uno de los modelos experimentales mejor estudiados, haciendo una conección molecular entre la modificación (alimentaria) externa (de la madre) durante un periodo particular (embarazo temprano) y un cambio definitivo de un parámetro a largo plazo (color del pelo y tamaño de cuerpo). Otros tantos modelos experimentales han confirmado estas observaciones, como el efecto de la ingesta materna de donadores de metilos en el aspecto de la cola (rizado de la cola) de su descendencia debido al alto grado de plasticidad epigenética del epialelo fusionado de axina que puede producir metástasis [Axin(Fu)]29, 31 o el efecto de una dieta con bajo contenido de proteína durante el embarazo sobre el estado de metilación del receptor activado por proliferación de peroxisomas hepáticos-γ y la expresión de receptores glucocorticoides en ratas.32 Sin embargo, además de la calidad de estos datos moleculares, el resultado funcional de las modificaciones epigenéticas no siempre es claro e, incluso más importante, una extrapolación de esta situación a humanos todavía no es posible –aun si los datos epidemiológicos citados lo sugirieran. No obstante, se cuenta con evidencia creciente para considerar que estas complejas enfermedades, como la aterosclerosis y la cardiopatía coronaria, el síndrome metabólico y la obesidad, así como los cánceres, se relacionan con cambios importantes en el estilo de vida y la dieta, además del tabaquismo y otros factores ambientales.10, 33–36 Con base en la evidencia de estudios experimentales y animales, es muy probable que esto pudiera tener un impacto sobre las funciones celulares y su regulación epigenética. En el campo de interés se encuentra el concepto actual de que los cambios en la dieta, el estilo de vida, la actividad física y los factores ambientales crean un estrés crónico en la célula única, pero además a nivel tisular, lo que sobrecarga de manera significativa la maquinaria de reparación de los tejidos con el riesgo de lesiones permanentes. Este concepto podría cambiar por completo la visión de cómo pre- Lecciones sobre epigenética Reimpreso con permiso de: Ann Nutr Metab 2012;60(suppl 3):38–43 41 venir la cardiopatía coronaria o la aparición de un síndrome metabólico. Desde la valoración inicial hasta la susceptibilidad a enfermedades podrían transcurrir años sino décadas antes del inicio de los primeros síntomas (Figura 2). Con la comprensión de los mecanismos moleculares y epigenéticos, este concepto es cada vez más plausible. Durante la última década, se han realizado avances importantes respecto a la comprensión de la expresión génica y la regulación de las funciones de los genes. Un hallazgo casi inesperado fue que los factores externos pueden tener un impacto marcado sobre la expresión de los genes, en potencia con consecuencias a largo plazo, aunque sin modificar el código genético del DNA. Este mecanismo de regulación génica se denomina ahora “epigenética” y este concepto se ha validado en múltiples modelos experimentales. En particular, las interven- ciones nutricionales son modificadores muy potentes a través de la modificación epigenética de la expresión génica y, con ello, contribuir a los efectos de larga duración. Se han diseñado varios modelos experimentales durante los últimos años; no obstante, se requiere investigación sustancial antes que sea posible extrapolarla a humanos. Este es un excitante campo de investigación: y durante los siguientes años es probable que los científicos traduzcan estos descubrimientos a la clínica, y con esperanza, también a situaciones de la vida diaria. Declaración de conflictos de interés Ninguno de los autores informó contar con conflictos de interés en relación con el contenido de este artículo. La redacción de este artículo recibió fondos de Nestlé Nutrition Institute. 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