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2.8: Epigenética

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    Hemos visto cómo la acción de los neurotransmisores puede alterar la transcripción y traducción de genes a través de la unión a receptores acoplados a proteínas G. La efectividad de la cascada de señalización en la síntesis de nuevas proteínas depende de algunos factores específicos del ADN. Este capítulo cubrirá brevemente cómo se transcriben los genes y luego cómo los cambios moleculares no secuenciales en el ADN pueden afectar las tasas de transcripción.

    Dogma Central

    ADN a ARN a proteína. El dogma central de la genética. Puede parecer simple, pero deben darse muchos pasos complejos para que el proceso sea exitoso.

    ADN

    El ADN bicatenario (ácido desoxirribonucleico) está compuesto por cuatro bases nucleotídicas: adenosina (A), timina (T), guanina (G) y citosina (C). La adenosina y la timina forman pares de bases, mientras que la guanina y la citosina forman pares. Los pares hacen que los dos hilos se enrollen uno alrededor del otro y formen una doble hélice.

    RNA

    El ARN mensajero monocatenario (ácido ribonucleico) se crea a partir de la secuencia de ADN mediante emparejamiento de bases complementarias. Al igual que el ADN, hay cuatro bases, pero en el ARN la base de timina es reemplazada por uracilo (U). El ARN mensajero (ARNm) sale del núcleo e interactúa con los ribosomas para sintetizar proteínas en un proceso llamado traducción. Los ribosomas emparejan aminoácidos con secuencias específicas de tres bases llamadas codones. Por ejemplo, la secuencia de codones AUG es el codón de inicio y codifica metionina. Los ribosomas bajarán por el ARNm para encontrar el codón de inicio de la proteína y comenzar la traducción allí, agregando un nuevo aminoácido para cada codón hasta que se alcance un codón de parada.

    Proteína

    Las proteínas son sintetizadas por la unión de aminoácidos entre sí por los ribosomas. Hay 20 aminoácidos que están codificados cada uno por una o más secuencias de codones de ARNm.

    Ilustración del dogma central de la genética. Detalles en pie de foto.
    Figura 15.1. El dogma central de la genética. El ADN se transcribe en ARN, que se traduce en proteína. El ADN está compuesto por los nucleótidos citosina, guanina, adenosina y timina. El ARN está compuesto por los nucleótidos citosina, guanina, adenosina y uracilo. La proteína está compuesta por aminoácidos. 'Central Dogma' de Casey Henley está bajo una Licencia Creative Commons Atribución No Comercial Compartir Igual (CC BY-NC-SA) 4.0 Internacional.

    Transcripción de genes

    En el núcleo, proteínas llamadas factores de transcripción y una ARN polimerasa se adhieren al ADN. El ADN se desenrolla, las proteínas se unen y se sintetiza una cadena de ARNm usando el ADN como molde. El ARNm es una secuencia complementaria a la cadena de ADN que se transcribe.

    Ilustración de ARN polimerasa transcribiendo ADN en ARN. Detalles en pie de foto.
    Figura 15.2. La doble hélice del ADN se desenrolla y se unen proteínas que incluyen factores de transcripción y ARN polimerasa. La cadena de ARNm es sintetizada por las proteínas que utilizan el ADN como molde para la secuencia de nucleótidos. 'Transcripción' por Casey Henley está bajo una Licencia Creative Commons Atribución No Comercial Compartir Igual (CC BY-NC-SA) 4.0 International License.

    Envasado de ADN

    Sin embargo, el ADN no siempre es accesible para esas proteínas de transcripción. Hay tanto ADN en cada célula, que para ahorrar espacio, está altamente condensado en el núcleo. La doble hélice se envuelve alrededor de proteínas llamadas histonas. Luego, las histonas se envuelven en hebras de nucleosomas. Los nucleosomas se compactan en estructuras más densas llamadas cromatina. Finalmente, la cromatina se condensa más y crea cromosomas.

    Ilustración de cómo se empaqueta el ADN y se condensa en cromosomas en la célula. Detalles en pie de foto.
    Figura 15.3. El ADN está altamente condensado dentro de la célula. El ADN está envuelto alrededor de proteínas histonas en una estructura llamada nucleosomas. Los nucleosomas se compactan en cromatina que se compacta adicionalmente en cromosomas. 'Embalaje de ADN' por Casey Henley está bajo una Licencia Creative Commons Atribución No Comercial Compartir Igual (CC BY-NC-SA) 4.0 International License.

    Para que se produzca la transcripción génica, las cadenas de ADN deben desenrollarse de los cuerpos de histonas para ser accesibles a la maquinaria transcripcional.

    Ilustración del desenrollamiento de ADN fuertemente enrollado para que la ARN polimerasa pueda unirse. Detalles en pie de foto.
    Figura 15.4. Cuando el ADN se enrolla fuertemente alrededor de las histonas, las hebras son inaccesibles para las proteínas de la polimerasa y los factores de transcripción. Dado que estas proteínas no pueden unirse, no puede ocurrir ninguna transcripción génica. Si las histonas se desenrollan, el ADN se vuelve accesible a las proteínas de transcripción. La ARN polimerasa puede unirse, y la transcripción génica puede tener lugar. 'Vinculación de ARN Polimerasa 'por Casey Henley está bajo una Licencia Creative Commons Atribución No Comercial Compartir Igual (CC BY-NC-SA) 4.0 Internacional.

    Epigenética

    Moléculas como los grupos metilo pueden unirse al ADN o a las histonas. Estas etiquetas epigenéticas pueden afectar la fuerza con la que se enrolla el ADN alrededor de las histonas. Dado que la expresión génica puede alterarse modificando la facilidad con la que las histonas se desenrollan y cuán accesibles son las cadenas de ADN, las etiquetas epigenéticas pueden tener un efecto indirecto sobre la transcripción génica.

    Los grupos metilo dificultan que la polimerasa acceda al ADN al mantener el ADN enrollado alrededor de las histonas, reduciendo la transcripción. Cuando se eliminan los grupos metilo, llamada desmetilación (que no debe confundirse con la dimetilación, la adición de dos grupos metilo), la expresión génica puede aumentar debido a que el ADN se desenrolla y es accesible a la maquinaria transcripcional.

    Ilustración de cómo los grupos metilo epigenéticos pueden alterar el enrollamiento del ADN alrededor de las histonas. Detalles en pie de foto.
    Figura 15.5. Los grupos metilo unidos al ADN afectan la accesibilidad de los genes a las proteínas de transcripción. El ADN altamente metilado permanece fuertemente enrollado alrededor de las histonas, evitando la unión de la ARN polimerasa y la transcripción génica. La baja metilación afloja las bobinas y hace que el ADN sea accesible a la ARN polimerasa, permitiendo la transcripción génica. 'Metilación del ADN' por Casey Henley está bajo una Licencia Creative Commons Atribución No Comercial Compartir Igual (CC BY-NC-SA) 4.0 Internacional.

    El epigenoma es flexible

    La secuencia de ADN de un individuo es fija (excluyendo las mutaciones que ocurren por daños o errores en la replicación celular), pero el epigenoma es flexible y puede cambiar a lo largo de la vida. Las experiencias de vida de un individuo, especialmente durante el desarrollo u otros períodos críticos, son capaces de alterar el epigenoma.

    Algunas experiencias aumentarán la metilación, a veces solo para ciertos genes, a veces en todo el genoma, mientras que otras experiencias la disminuirán. Por ejemplo, el estrés temprano en la vida puede aumentar la cantidad de metilación que se encuentra en el gen que codifica para el receptor que es activado por las hormonas del estrés. El aumento de la metilación conduce a una transcripción reducida que tiene efectos aguas abajo en el bucle de retroalimentación negativa en la respuesta al estrés. Los científicos están empezando a darse cuenta de lo importante que es el epigenoma en la regulación de nuestro cerebro y comportamiento.

    Epigenoma heredado

    Adicionalmente, las modificaciones epigenéticas son heredables. Investigaciones recientes comienzan a mostrar que las experiencias de madres, padres e incluso abuelos pueden tener efectos transgeneracionales. Y estos efectos, que alguna vez se pensaba que sólo se heredaban del lado materno, ahora se ha demostrado que también son heredados paternalmente. Esto significa que un animal que tuvo estrés temprano en la vida puede haber aumentado la metilación y cambios en la transcripción génica que luego se transmite por generaciones incluso si la descendencia no experimenta los mismos factores estresantes.

    Ilustración de un diagrama de árbol genealógico que muestra factores epigenéticos heredados.
    Figura 15.6. Los factores epigenéticos pueden ser heredados. El estrés experimentado por un abuelo puede aumentar la metilación del ADN y ese efecto se puede encontrar en crías de primera y segunda generación. 'Efectos de Metilación Transgeneracional' por Casey Henley está bajo una Licencia Creative Commons Atribución No Comercial Compartir Igual (CC BY-NC-SA) 4.0 Internacional.

    Claves para llevar

    • El ADN está altamente condensado en el núcleo
    • El ADN debe desenrollarse para que se lleve a cabo la transcripción
    • Las modificaciones epigenéticas pueden alterar la facilidad con la que se puede desenrollar el ADN
    • Las modificaciones epigenéticas se pueden heredar

    Versión en video de la lección

    Miniaturas para el elemento incrustado “Capítulo 15 - Epigenética”

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