Regulación epigenética y el efecto del ambiente en el riesgo para el

desarrollo de DMT2

MC. Paola Vázquez CárdenasDra. Ma. Teresa Tusié Luna

Agosto 15, 2013

Epidemiología de la Diabetes

Factores de riesgo modificables

• Sobrepeso u obesidad• Inactividad física• Sedentarismo• Dieta• Tabaquismo• Hiperlipidemia• Hipertensión• Ambiente intrauterino*

Factores de riesgo no modificables

• Edad• Sexo• Etnicidad• Historia familiar de DT2• Historia de GDM

Chen, et al., Nature Reviews, 2012

Fisiopatología de la DT2

Insulina

Páncreas

Tejido adiposoHígado Músculo

2. Producciónde glucosa

1. Lipólisis3. Incorporación

de glucosa

Disfuncióncélula β

DIABETESMELLITUS

Resistenciaa la insulina

Ácidos grasos Glucosa sanguínea

Genética de la DT2

Voight, et al., Nature, 2012

Genética de la DT2

Loci asociados a DT2 en población mestiza mexicana

Gamboa, et al., Diabetes, 2012

Odds Ratio1.0 1.5

UBQLNLTSPAN/LGR5

TCF7L2SLC30A8

RORARALGPS2

PPARGNXPH1

NOTCH2KCNQ1KCNJ11

JAZF1IGF2BP2

HHEXFTO

CDKN2A/2BCDKAL1

CDC123/CAMK1DARHGEF11ADAMTS9

Genética de la DT2

Gráfico QQ residual para loci asociados a DT2 en población mestiza mexicana

SIGMA consortium 2012, confidencial

~60 SNPs asociados a DT2Efectos modestos: TCF7L2 (OR=1.7)

10% de la variabilidad explicada

No más SNPs por descubrir

Ubicados en secuencias no codificantes, muchos son factores de transcripción

No son los alelos causales

Ambiente

Resistencia a la insulina

Secreción de

insulina

Componente genético de las enfermedades complejas

¿?

Waki, et al. Curr Diab Rep, 2012Burdge GC. Annu Rev Nutr., 2010

Intrauterino Estilo de vida

Epigenética• Definición:

– Cambios heredables de la expresión génica que ocurren sin que se presenten modificaciones en la secuencia de DNA

DNA

Histonas

Otras proteínas

CromatinaInformación que regula la expresión génica en respuesta a señales ambientales

Rodríguez-Dorantes M, et al. Rev Invest Clin (2004) 1: 56-71

Un genoma

Epigenomas

DNA

Cromatina

Información almacenada

Información organizada

Patrones epigenéticos tejido-específicos

Modificables

Mecanismos epigenéticos

Mecanismos

1. Metilación de DNA

2. Modificación de histonas:AcetilaciónMetilaciónFosforilaciónOtras

3. Complejos remodeladores de la cromatina ATP dependientes

4. Polycomb y Trithorax5. RNAs no codificantes (lncRNA,

miRNAs, siRNA)6. Dinámica nuclear

The American Association for Cancer Research Human Epigenome Task Force. Nature 2008;454:711-715Matouk, C. C. et al. Circ Res 2008;102:873-887

Metilación del DNAMetilación de CpG en la posición 5 de la C

+ SAM DNMT

DNA no metilado Expresión génica

Expresión génicaDNA metilado

Gluckman PD. Nature Reviews Endocrinol. 2009, 5:401-408Nafee TM: BJOG 2008, 115:158-168.

P Exon 1 Exon 2 Exon 3

FT Pol

Transcripción

P Exon 1 Exon 2 Exon 3

Transcripción

MeCP2

HMTHDACHistona

Ac

HistonaMe

Metilación del DNA

Estado dinámico de metilación global del DNA durante el desarrollo

Trofoectodermo

Placenta

Especialización de tejidos de capas germinales del embrión

Mayor influencia del desarrollo placentario y nutrición materna

Genes de imprinting

Efecto dinámico de la dieta sobre la metilación del DNA

+ SAM DNMT

MTHFR SNP 677C>TEfecto funcional:

677CT 35%677TT 50-70%

Alelo T en población mexicana: 36% - 48%Los portadores de la mutación C677T requieren 20% más ácido fólico que los sujetos normales

Donadores de metilo• Ácido Fólico• Metionina

Cofactores• B2,B6,B12• Zinc

MTHFR

El ácido fólico participa como donador de grupos metilo en la reacción de metilación del DNA

Feil,R. Nature Reviews Genetics, 2012

Evidencias de influencias nutricionales sobre la metilación del DNA en el ratón agoutí

• La alteración de la alimentación materna durante el embarazo afecta el fenotipo observado

• Ingestas altas de donadores de metilo (ácido fólico, vitamina B12, colina y betaína) la metilación

Dieta control

Suplementación con donadores de metilo o genisteina

Exposición a Bisfenol A (BPA)

Exposición a Bisfenol A (BPA) + suplementación con donadores de metilo o genisteína http://www.geneimprint.com

Dolinoy et al., PNAS 104: 13056-13061, 2007

El efecto del consumo de nutrimentos relacionados con el metabolismo de un solo carbono

DG PP

• Suplementación con ácido

fólico

• Suplementación con ácido

fólico

Insulina β 0.58 p 0.030

Glucosa β -0.085 p 0.055

HOMA-IR β 0.178 p 0.203

HOMA-B β 83.29 p 0.225HOMA-S β -42.56 p 0.039

HOMA-S Β 1.702 p 0.04

Efecto dosis x tiempo. Mayor efecto observado en la dosis de 401 a 999 mcg

**multivitamínico: efecto conjunto de ácido fólico con cofactores (vitamina B12)

Suplementación temprana

Suplementación tardíaInsulina β -0.15 p 0.924

Glucosa β 0.22 p 0.073

Asociación del SNP C677T con parámetros de sensibilidad y resistencia a la insulina

Variable

Todos Dosis <1mg Dosis >1mgrs1801133

prs1801133

prs1801133

pAditivo Aditivo AditivoOR/B coef. OR/B coef. OR/B coef.

Glucosa en ayuno (sdg 24-28) 0.55 0.39 0.38 0.09 0.38 0.09

Glucosa postprandial 2 horas (sdg 24-28) -5.06 0.03* 2.54 0.02* -4.39 0.01*

Insulina en ayuno (sdg 24-28) 0.43 0.33 -0.02 0.03* 0.41 0.02*Log Aditive Model ajustado por IMC pregestacional, hospital de referencia, inicio de suplementación.

El efecto del consumo de nutrimentos relacionados con el metabolismo de un solo carbono

Pourghassem B. Diabetes research and clinical practice 94 (2011) 33–38

1000 mcg

16 donadores cadavéricos5 casos DT2 11 controles

Similar grupo étnico, edad e IMC

Volkmar, M. EMBO. 2012

Estrés del retículo endoplásmico

Regulación de la cromatina en células β expuestas a IUGR: PDX1

PDX1 Factor de transcripción:• Desarrollo temprano del páncreas

endocrino y exocrino• Diferenciación tardía de células β• Adecuada función de la célula β

USF1 Factor de transcripción:• Activador de la transcripción de Pdx1

Ratas IUGR • 50% los niveles de mRNA de Pdx1• Disminución persistente después del

nacimiento

In utero Nacimiento 2 semanas Adulto

Acetilación de H3 y H4 en promotor de Pdx1

Pérdida de unión de USF1al promotor de Pdx1 mRNA de Pdx1

Progresión de desacetilaciónde histonas

Trimetilación de H3K4Dimetilación de H3K9

mRNA de Pdx1Alteraciones en niveles glucosa

Estrés oxidante

Posible reversiónde la desacetilación

Normalización permanentede niveles de mRNA de Pdx1

Dimetilación H3K9Metilación de DNA de novoCierre/Silenciamiento de la

región del promotor de Pdx1Diabetes

HiperglucemiaEstrés oxidante

Diabetes

Rata Knock out de Pdx1: agenesia pancreáticaPdx +/-: desarrollo normal de masa β pancreática, desacople en GSIS

Humano Mutaciones homocigas: agenesia pancreáticaDiabetes, ¿cómo?

Exendina-4 Factor de transcripción:• expresión de Pdx1 en recién nacido previniendo desarrollo de

DM en rata IUGR

• Islotes de ratas IUGR con tx exendina-4 fosforilación de USF1 asociación USF1-PCAF en promotor de Pdx1 actividad acetiltransferasa de histonas (HAT)Permanente aumento en acetilación de H3Permanente trimetilación de H3K4Previene metilación de DNA

Reversión, ¿cómo?

Pinney, et al., Curr Diab Rep, 2012

Remodelamiento de cromatina en locus de riesgo: TCF7L2

Desacople en la secreción de la insulina, mediado por hormonas intestinales (GLP-1)Loci más consistente y con mayor significancia estadística en estudios caso/control:

• rs7903146 (C/T)• Intrón 3, ningún otro SNP en LD• Portadores: mRNA TCF7L2 en islotes pancreáticos

Portadores del alelo T de riesgo presentan una cromatina más abierta Ganancia de función asociada al alelo de riesgo T, aumento de la actividad transcripcional de TCF7L2

Groop, et al., Nature Genetics, 2010

RNAs no codificantes

ncRNAs pequeños(18-200 nt)

ncRNAs largos(200 nt-1000 kb)

miRNAsTamaño: 18-24 nt

Transcritos por RNA Pol II y III

siRNAsTamaño: 20-24 nt

Transcritos por RNA Pol II

piRNAsTamaño: 24-30 nt

Transcritos por RNA Pol II

IntrónicosTranscripción

Pri-miRNA

procesamiento

NÚ

CLEO

CITO

PLAS

MA

Pre-miRNA

Dicer

miRNA

5’

RISC

Represión traduccional o

activación de mRNA

Transcripción Bi-direccional

ó

ó

siRNA

5’PTGS:

Degradación de mRNA

DRC1

RITSTGS:

Modificaciones en cromatina

Transcripción Bidireccional en cluster

¿procesamiento?

piRNAs

PIWI

Regulación epigenética

Control de transposones

Dicer

Drosha

Mutación en un gen codificante de proteína que modifique el marco de lectura

Rearreglos cromosómicos

DuplicacionesncRNA pequeño ncRNA largo

Inserción de transposon que contiene un sitio de inicio de la transcripciión

Ponting CP. 2009

Posibles orígenes de los lncRNAs

lncRNAsTamaño: >200nt

Transcritos por RNA Pol II y III

Mecanismos de acción descritos para los lncRNAsRegulación en cis Regulación en trans

Guttman M, Rinn J. 2012

Anzuelo

Modificación Alostérica

Collins L, 2011 Collins L, 2011 Collins L, 2011

miRNAs Diabetes y Obesidad

Dieta baja en proteínas

Metilación del DNA

Receptor de angiotensina (glándula adrenal; ratón)Npy, Cart, Pomc (cerebro; rata)Leptina (tejido adiposo; ratón)PPARa, LXRa (hígado; ratón) *Revierte con ácido fólico

Dieta alta en grasasMetilación del DNA

Genes asociados a dopamina y opioides (cerebro; ratón)Cdkn1a (hígado; rata)

Consumo inadecuado de energíaMetilación del DNA

IL10, LEP, ABCA1, GNASAS, MEG3, IGF2 (humano)HNF4A (humano)BOLA3, FLJ20433, PAX8, SLITRK1, ZFYVE28 (humano)RXRa, eNOS (humano)

Modificaciones de histonas

Pdx1 (célula beta; rata)Glut4 (músculo esquelético; rata)Dusp5, IGF1 (hígado, hipocampo; rata)11-b-DH (riñón; rata)PPARg (pulmón; rata)

Exceso de alimentación neonatalMetilación del DNA

POMC (hipotálamo; rata)Receptor de insulina (cerebro; rata)TACSTD2 (humano)

Dieta alta en grasa

Metilación del DNA

Sistema de neurotransmisores (cerebro; rata)Múltiples genes en F2 (células b; rata)

Restricción calórica

Metilación del DNA

H-ras (rata)RUNX (humano)P16 (humano)ATP10A, WT1, TNFa (tejido adiposo; humano)

Modificaciones de histonas

p16INK4 (humano)hTERT (humano)Cambios mediados por SIRT1 (FOXO, PGC1A, HDAC1, etc; ratón, rata).

Crecimiento fetal Crecimiento Neonatal

Nacimiento Ablactación Lactancia

Adulto

Consumo de ácido fólico

Metilación del DNA

IGF2 (humano)

Evidencia de la influencia de factores dietarios involucrados en la regulación epigenética del metabolismo en distintas etapas de la vida en mamíferos