Epigenética y la influencia de la dieta materna

Los estudios epidemiológicos muestran que un ambiente intrauterino pobre inducido por una dieta materna o una composición corporal materna desbalanceada, insuficiencia placentaria o factores endócrinos, induce un fenotipo del producto caracterizado por un mayor riesgo de desarrollar enfermedades crónicas no comunicables, tales como enfermedad cardiovascular y el síndrome metabólico, en su vida posterior. Estos hallazgos han sido replicados en modelos animales, en donde la nutrición restringida durante el embarazo induce dislipidemia, obesidad, hipertensión, hiperinsulinemia e hiperleptinemia en las crías.

Esta asociación entre un pobre crecimiento intrauterino y un mayor riesgo de enfermedad en la vida posterior puede resultar de una respuesta adaptadora predictiva, en donde el feto responde a claves ambientales durante el desarrollo con ajustes permanentes en su desarrollo y en los sistemas homeostáticos para ayudar en el supervivencia posterior y en su aptitud reproductiva. Sin embargo, si estas adaptaciones son inapropiadas para el ambiente postnatal, pueden finalmente llevar a un mayor riesgo de enfermedad, porque su capacidad homeostática no es apropiada para el ambiente. El mecanismo por el cual las claves sobre la disponibilidad de nutrimentos en el ambiente postnatal son transmitidas al feto, y el proceso por el cual diferentes fenotipos estables son inducidos, está comenzando a ser comprendido.

Inducción del fenotipo y transcripción génica

La inducción de cambios al fenotipo de los descendientes, que persisten a lo largo de la vida del organismo, implica cambios estables a la transcripción génica que resulta en actividades alteradas de las rutas metabólicas y de los procesos de control homeostático. Alimentar con una dieta restringida en proteína (PR, por sus siglas en inglés) durante el embarazo induce una expresión reducida de 11β-hidroxiesteroide-deshidrogenasa tipo 2 y una expresión incrementada del receptor glucocorticoide (GR, por sus siglas en inglés) en hígado, riñón y cerebro de la descendencia durante la vida fetal, neonatal y adulta. En el hígado, la mayor actividad GR regula a la alza la expresión y actividad de fosfoenolpiruvato-carboxiquinasa, aumentando la capacidad de gluconeogénesis.

Restringir la ingestión materna de proteínas durante el embarazo y/o lactancia en ratas también altera la expresión de los genes involucrados en la homeostasis lípida. Las crías de ratas alimentadas con una dieta PR durante el embarazo muestran un incremento en las concentraciones sanguíneas de triacilglicerol (TAG, por sus siglas en inglés) y ácidos grasos no esterificados. La expresión del receptor activado por proliferador de peroxisoma alfa (PPAR-α) es incrementada en el hígado de crías de ratas alimentadas con una dieta PR durante el embarazo y está acompañada por regulación a la alza de su gen objetivo (target) acil-CoA-oxidasa, mientras que la expresión de PPARγ1 no cambia. En contraste, en el tejido adiposo la expresión de la isoforma de PPARγ específica para el tejido adiposo PPARγ2 está reducida.

Es de esperar que la mayor expresión de PPARα incremente la liberación de TAG. Sin embargo, un incremento en la síntesis hepática de TAGA puede resultar de un flujo incrementado de ácidos grasos no esterificados del tejido adiposo, como resultado de la expresión reducida de PPARγ, y puede haber excedido la capacidad de las rutas de liberación de ácidos grasos, reguladas por PPARα. En general, los descendientes de hembras alimentadas con una dieta PR durante el embarazo muestran una homeostasis de lípidos deteriorada.

Estos estudios demuestran que la restricción materna de nutrimentos durante el embarazo induce efectos estables a largo plazo en la transcripción y, en muchos casos, los genes que muestran una expresión alterada después de una desnutrición prenatal son factores de transcripción que regulan múltiples rutas en el desarrollo y el metabolismo. La nutrición materna, al modificar la expresión de unos pocos factores de transcripción claves, puede alterar las rutas metabólicas y de desarrollo, llevando finalmente a un fenotipo alterado y a un incremento en la susceptibilidad a enfermedad.

Mecanismos epigenéticos y regulación de la transcripción

Un mecanismos por el cual la restricción materna de nutrimentos puede llevar a cambios en la expresión génica a largo plazo en los descendientes, es a través de la regulación epigenética de los genes alterada. Como los procesos epigenéticos son integrales en la determinación de cuando y donde genes específicos son expresados, las alteraciones en la regulación epigenética de los genes pueden derivar en profundos efectos fenotípicos. La palabra “epigenética” literalmente significa arriba de la genética y se refiere a procesos heredables que modulan el potencial de expresión génica sin alterar la secuencia del DNA. Los principales procesos epigenéticos son metilación del DNA, modificación de histona y microRNAs. La metilación es el proceso mejor comprendido, aunque no del todo.

La metilación en la posición 5’ de la citosina en el DNA dentro de un dinucleótido CpG (el p denota el grupo fosfato que interviene), es una modificación común en los genomas mamíferos y constituye una estable marca epigenética que es transmitida a través de la división celular. Los dinucleótidos CpG se encuentran agrupados en los extremos 5’ de los genes/promotores en las regiones conocidas como islas CpG. La hipermetilación de estas islas CpG está asociada con la represión transcripcional, mientras que la hipometilación de las islas CpG está asociada con la activación transcripcional.

La metilación del DNA puede inducir el silenciado transcripcional bloqueando la unión de factores de transcripción y/o a través de la promoción de la unión de la proteína ligadora de metil CpG (MeCP2). Esta última se une a las citosinas metiladas y, a su vez, recluta complejos modificadores de histona al DNA. MeCP2 recluta tanto histona-deacetilasas (HDACs) que remueven grupos acilo de las histonas, como histona-metil-transferasas que metilan lisina 9 en H3, resultando en una estructura de cromatina cerrada y en el silenciado transcripcional. Las modificaciones covalentes a las histonas, como acetilación y metilación, alteran la estructura de la cromatina y por tanto la habilidad de la maquinaria transcripcional para ganar acceso al DNA.

La metilación de DNA es importante para el silenciado asimétrico de los genes impresos (en la gran mayoría de los genes de los autosomas, la expresión de ambos alelos sucede simultáneamente. Sin embargo, una pequeña proporción de los genes (<1%) está «impresa», es decir, que su expresión depende de sólo uno de los alelos. La expresión del alelo depende, por tanto, de su origen parental), la inactivación del cromosoma X y el silenciado de los retrotransposones. La metilación del DNA también juega un papel clave en la diferenciación celular, silenciado la expresión de genes específicos durante el desarrollo y diferenciación de los tejidos individuales.

La metilación de CpGs es establecida en gran medida durante la embriogénesis o en la vida postnatal temprana. Luego de la fertilización, los genomas materno y paterno experimentan una extensa desmetilación. La desmetilación es un proceso activo que desnuda al genoma macho de metilación unas cuantas horas después de la fertilización; en contraste, el genoma materno es solamente desmetilado pasivamente durante las subsecuentes divisiones. Por tanto, el DNA embriónico es hipometilado, lo que se correlaciona con la pluripotencia de estas células embriónicas. Los genes impresos escapan a esta borradura.

Este periodo de desmetilación es seguido por metilación global de novo, justo antes de la implantación del blastocisto durante la cual el 70% de los CpGs son metilados, principalmente en regiones de heterocromatina reprimida y en secuencias repetitivas tales como los elementos retrotransposables. Adicionalmente, durante el desarrollo y vida postnatal temprana, la metilación también ocurre en genes específicos a tejidos, limitando la expresión génica y el destino del desarrollo de las células diferenciadas. Por ejemplo, la expresión de Oct-4, un regulador clave de la pluripotencia celular en el embrión temprano, es permanentemente silenciada por hipermetilación alrededor de E6.5 en el ratón, mientras que HoxA5 y HoxB5, que son requeridos para etapas posteriores del desarrollo son metilados y silenciados en la vida postnatal temprana. Sin embargo, una vez que estos patrones de metilación han sido establecidos durante el desarrollo, estos marcadores epigenéticos son mantenidos en la mayoría de los casos con una alta fidelidad a lo largo de la vida. Los períodos durante el desarrollo cuando estos patrones de metilación están siendo establecidos son posiblemente susceptibles a influencias ambientales de la vida temprana.

Ambiente de la vida temprana y regulación epigenética de los genes

Existe evidencia creciente de que los ambientes prenatal y postnatal temprano pueden modificar la regulación epigenética de genes específicos. Se ha demostrado que la ligadura de una arteria uterina en la rata lleva a un incremento en la metilación p53 y a la expresión p53 disminuida en el riñón de la descendencia, la cual está asociada con incremento en la apoptosis y un menor número de nefrones. Se ha demostrado que las variaciones en el comportamiento materno también llevan a cambios epigenéticos en ratas. Las crías cuidadas por hembras que mostraron cuidado más pobre tienen una respuesta incrementada al estrés; el efecto es debido a hipermetilación de una CpG específica dentro del promotor del gen GR en el hipocampo de las crías. Estos cambios persisten hasta la adultez y están asociados con acetilación alterada de histona y a una unión reducida del factor de transcripción NGF1A al promotor GR. La infusión central del inhibidor de HDAC tricostatina A remueve las diferencias en acetilación de histona, metilación de DNA, unión de NGF1A y la respuesta al estrés del eje hipotálamo-pituitaria-adrenal.

Los efectos de la nutrición temprana en la regulación epigenética de los genes impresos y los retrotransposones de la partícula A intracisternal (IAP) también se han reportado. Los embriones de ratón cultivados en medio de Whitten sin aminoácidos exhiben expresión bialélica del gen H19 impreso, mientras aquellos cultivados en medio conteniendo aminoácidos muestra expresión monoalélica. En los humanos, las tecnologías de reproducción asistida están asociadas con un riesgo incrementado de síndrome de Angelman y de síndrome Beckwith-Weidemann, los cuales son causados por una metilación disminuida de las regiones reguladoras de los genes UBE3A, H19 e IGF-2. Las alteraciones en la regulación epigenética de los genes impresos producen alteraciones dramáticas al fenotipo de la descendencia, los cuales son evidentes en la vida temprana y contrastan con los fenotipos inducidos por variaciones en la nutrición materna a lo largo del embarazo, los cuales son clínicamente aparentes en la vida posterior.

Las diferencias en la ingestión materna de micronutrimentos durante el embarazo de los ratones agouti, han mostrado inducir diferencias en el color del pelaje de las crías. La mutación murina Avy resulta de la inserción de un retrotransposon IAP corriente arriba (hacia el extremo 5’) del gen agouti, el cual regula la producción de pigmento de pelaje amarillo. La suplementación de la dieta NIH-31 proporcionada a ratones embarazados con donadores de metilo y cofactores como betaína, colina, ácido fólico y vitamina B12 cambia la distribución del color del pelaje del amarillo (agouti) al café (pseudo-agouti) y un incremento en la metilación del elemento IAP. De manera similar, en estudios del ratón axina fundida (Axin Fused o AxinFu), en donde una inserción IAP en el intrón 6 del gen axina causa una cola rizada, la suplementación de la dieta materna con donadores de metilo también ha mostrado reducir la incidencia de colas rizadas en los descendientes AxinFu/+ al inducir la hipermetilación del elemento IAP. Estos hallazgos demuestran que el nivel de metilación en estos retrotransposones IAP puede ser modulado por el nivel de donadores de metilo dentro de la dieta materna.

Restricción materna de proteína y regulación epigenética alterada de los genes

Alimentar con una dieta PR a ratas embarazadas es un modelo bien establecido de inducción de fenotipo en los descendientes, el cual exhibe algunas de las características del síndrome metabólico en los humanos. Alimentar con una dieta PR a ratas durante el embarazo induce la hipometilación de los promotores PPARα y GR, y una expresión incrementada de GR y PPARα en el hígado de las crías recién destetadas.

La hipometilación del GR observada en las crías PR está asociada con un incremento en las modificaciones de histona en el promotor GR que facilita la transcripción, en efecto, la acetilación de histonas H3 y H4, y la metilación de histona H3 en lisina K4, mientras aquellas que suprimen la expresión génica son reducidas o permanecen sin cambio. Por tanto, este estudio demostró por primer vez que, en contraste con la modificación del consumo materno de nutrimentos asociado con el metabolismo de 1 carbono, los cambios estables a la regulación epigenética de la expresión de los factores de transcripción, y por tanto un fenotipo, pueden ser inducidos en los descendientes por cambios modestos al consumo materno de macronutrimentos durante el embarazo.

La expresión incrementada de los factores de transcripción PPARα y GR está acompañada por un incremento en la expresión de sus genes objetivo, acil-CoA-oxidasa y fosfoenolpiruvato-carboxiquinasa, respectivamente, lo que apoya la sugerencia de que dicha regulación epigenética alterada de los factores de transcripción modifica las actividades de importantes rutas metabólicas.

El tratamiento con bisulfito de sodio seguido por pirosecuencia ha demostrado que el cambio en el estado de metilación del promotor PPARα es debido a la hipometilación de dinucleótidos CpG específicos, y que el patrón de metilación CpG en los juveniles del día 34 persiste en las ratas de 80 días de edad. La metilación alterada de dinucleótidos específicos que corresponde a los sitios de unión del factor de transcripción sugiere un mecanismo por el cual los cambios en la regulación epigenética de los genes establecida durante el desarrollo determina los cambios en las respuestas de transcripción a estímulos específicos, y por tanto, la capacidad del tejido para responder al reto metabólico. Por lo tanto, la metilación alterada del gen puede proporcionar un mecanismo causal para explicar cómo la dieta materna puede inducir cambios estables en la expresión génica y en el fenotipo de la descendencia.

Resulta interesante que los efectos de la dieta materna en la metilación génica son específicos para un tejido. La restricción materna de proteínas induce la hipometilación de PPARα en el  hígado, el corazón, el cordón umbilical y en el cerebro, pero no se ha observado efecto en la metilación del músculo esquelético o el tejido adiposo. No está claro cómo son inducidas las diferencias tejido-específicas en la regulación epigenética de los genes. Una diferencia en el origen embriónico no puede dar cuenta totalmente de las diferencias en los efectos de la dieta materna en la metilación del promotor, pues la hipometilación de los promotores PPARα y GR110 está reducida en los tejidos endodérmicos como el corazón y el cordón umbilical de las crías de las hembras PR, pero no en el tejido adiposo o en el músculo esquelético. Alternativamente, la unión de los factores de transcripción a los promotores en respuesta a un estímulo ambiental induce cambios específicos en la regulación epigenética de los genes. Por lo tanto, es posible que la interacción inductiva entre la dieta materna y los cambios tejido-específicos en la metilación del promotor pueda depender de la expresión de los factores de transcripción apropiados al momento del reto ambiental.

Transmisión transgeneracional de la regulación epigenética alterada de los genes

Los estudios en humanos han proporcionado evidencia de una transmisión no genómica entre generaciones de rasgos fenotípicos inducidos, asociados con la homeostasis metabólica deteriorada. La mortalidad por diabetes es incrementada en hombres si el abuelo paterno fue expuesto a una nutrición abundante durante la pubertad. Durante la hambruna holandesa en el invierno de 1944/45, la hijas de las mujeres expuestas a la restricción de nutrimentos y al estrés psicológico durante el embarazo presentaron menor peso al nacer y un mayor riesgo de resistencia a la insulina, mientras que las hijas de éstas también nacieron con un menor peso.

En ratas, alimentar con una dieta PR durante el embarazo en la generación F0 resulta en una presión arterial elevada y en disfunción endotelial tanto en las generaciones F1 y F2 del linaje femenino, a pesar de una nutrición normal durante el embarazo de la generación F1. La hipometilación de los promotores GR y PPARα hepáticos también fue observada en la descendencia F1 y F2. Sin embargo, este efecto no ha sido demostrado en la descendencia del linaje macho, o en el linaje hembra F3, por lo que un verdadero efecto epigenético transgeneracional a través de la meiosis debe ser todavía demostrado.

Metabolismo de 1 carbono y DNA-metiltransferasas

La inducción de un fenotipo alterado en las crías de ratas alimentadas con una dieta PR durante el embarazo, es prevenido por suplementación de la dieta PR con glicina o ácido fólico. La hipometilación de los promotores GR y PPARα hepáticos es también prevenida por adición de ácido fólico a la dieta PR, sugiriendo que el metabolismo de 1 carbono juega un papel central en la inducción de la regulación epigenética alterada de GR y PPARα, y en la inducción de un fenotipo alterado por la restricción materna de proteínas.

La metilación de dinucleótidos CpG de novo es catalizada por DNA-metiltransferasa (Dnmt) 3a y 3b, y es mantenida a través de la mitosis por la metilación gen-específica de DNA hemimetilado por Dnmt1. La actividad de Dnmt1 es inhibida por homocisteina. Las ratas preñadas alimentadas con una dieta PR muestran un incremento en la concentración de homocisteina sanguínea en la gestación temprana. Dado que la expresión de Dnmt1 es regulada negativamente por homocisteina e incrementada por el ácido fólico, la modulación de la expresión de Dnmt1 por diferencias en el metabolismo de 1 carbono puede proporcionar un enlace entre la dieta materna y la regulación epigenética de la expresión génica del feto.

Alimentar con una dieta PR a ratas durante el embarazo induce una reducción en la expresión Dnmt1; sin embargo, la expresión de Dnmt3a y Dnmt3b no es alterada. Esto sugiere que la hipometilación de los promotores GR y PPARα en el hígado de la descendencia puede ser inducida por restricción materna de proteínas, como un resultado de una falla para mantener los patrones de metilación durante la mitosis. Esto es apoyado por el hallazgo de que la menor expresión Dnmt1 inducida por la dieta PR es prevenida por el incremento del contenido de ácido fólico en la dieta PR, y es consistente con un papel central para Dnmt1 en la inducción de un fenotipo alterado. La pérdida de Dnmt1 podría ser esperada como resultado de una desmetilación global; sin embargo, la pérdida de Dnmt1 lleva solamente a la desmetilación de un subjuego de genes. Por lo tanto, la expresión reducida de Dnmt1 es consistente con la hipometilación de genes específicos en el hígado de las crías PR.

Observaciones en humanos

Inevitablemente, hay considerablemente menos evidencia de un papel de la epigenética en humanos que en animales. Sin embargo, variaciones en la metilación GR han sido reportadas en muestras de cordón umbilical humano. El examen del estado de metilación del promotor GR mostró por primera vez que entre individuos dentro del rango normal de peso al nacer, hay una considerable variación en el estado de metilación del gen GR expresado en este tejido fetal humano.

Es interesante que la expresión de Dnmt1 predijera 49% de la variación en la metilación del promotor GR expresado en el cordón umbilical humano, sugiriendo que la metilación del promotor GR en el cordón umbilical humano está asociada con la capacidad de Dnmt1 para mantener la metilación de los dinucleótidos CpG. Adicionalmente, estos hallazgos son consistentes con las observaciones en rata y ratón, sugiriendo que la inducción de diferentes fenotipos eh humanos por la nutrición prenatal puede involucrar variaciones n (o control de) la expresión Dnmt1 y, a su vez, la metilación del DNA.

Tradicionalmente, se ha creído que la secuencia de DNA es el determinante único del fenotipo y de la variación fenotípica como un resultado de mutación o recombinación genética. Sin embargo, existe ahora evidencia creciente para demostrar que los mecanismos epigenéticos permiten la generación de un amplio rango de fenotipos a partir de un genotipo.

Adicionalmente, investigaciones recientes muestran que hay períodos críticos durante el desarrollo, en que estos procesos epigenéticos son susceptibles a perturbaciones en la nutrición materna. El entendimiento de los mecanismos responsables por dichos cambios epigenéticos inducidos puede proporcionar nuevos biomarcadores de riesgo y nuevas oportunidades para estrategias terapéuticas para prevenir o disminuir los efectos de eventos adversos en el ambiente de la vida temprana en el riesgo de enfermedades.