Contribución de las modificaciones epigenéticas a la evolución

La metilación del ADN es un proceso mediante el cual se añaden grupos metilo a la molécula de ADN. La metilación puede modificar la actividad de un segmento de ADN sin alterar su secuencia. Las histonas son proteínas presentes en el núcleo celular que empaquetan y organizan el ADN en unidades estructurales llamadas nucleosomas .

La metilación del ADN y la modificación de las histonas son dos mecanismos que regulan la expresión génica en la mayoría de los organismos, incluyendo plantas y animales. La metilación del ADN puede ser estable durante la división celular, permitiendo que los estados de metilación se transmitan a otros genes ortólogos en un genoma. La metilación del ADN puede revertirse mediante enzimas conocidas como desmetilasas del ADN, mientras que las modificaciones de las histonas pueden revertirse eliminando los grupos acetilo de las histonas con desacetilasas. El proceso de reversión de la metilación del ADN se conoce como desmetilación del ADN. ^{[ 2 ]} Se ha demostrado que las diferencias interespecíficas debidas a factores ambientales están asociadas con la diferencia entre los ciclos de vida anuales y perennes . Pueden existir diversas respuestas adaptativas basadas en esto. ^{[ 3 ]}

Las formas de metilación de histonas causan la represión de ciertos genes que se heredan de forma estable a través de la mitosis, pero que también pueden borrarse durante la meiosis o con el paso del tiempo. La inducción de la floración por exposición a bajas temperaturas invernales en Arabidopsis thaliana muestra este efecto. La metilación de histonas participa en la represión de la expresión de un inhibidor de la floración durante el frío. En especies anuales semélparas como Arabidopsis thaliana, esta metilación de histonas se hereda de forma estable a través de la mitosis tras el retorno de temperaturas frías a cálidas, lo que permite a la planta florecer continuamente durante la primavera y el verano hasta que entra en senescencia. Sin embargo, en parientes perennes iteróparas , la modificación de histonas desaparece rápidamente cuando aumentan las temperaturas, lo que permite que aumente la expresión del inhibidor floral y limita la floración a un intervalo corto. Las modificaciones epigenéticas de histonas controlan un rasgo adaptativo clave en Arabidopsis thaliana, y su patrón cambia rápidamente durante la evolución asociada a la estrategia reproductiva. ^{[ 3 ]}

Otro estudio analizó varias líneas endogámicas recombinantes epigenéticas (epiRILs) de Arabidopsis thaliana —líneas con genomas similares pero con distintos niveles de metilación del ADN— para determinar su sensibilidad a la sequía y al estrés nutricional. Se encontró una cantidad significativa de variación heredable en las líneas con respecto a rasgos importantes para la supervivencia frente a la sequía y el estrés nutricional. Este estudio demostró que la variación en la metilación del ADN podría generar variación heredable en rasgos vegetales ecológicamente importantes, como la asignación de recursos radiculares, la tolerancia a la sequía y la plasticidad nutricional . También sugirió que la variación epigenética por sí sola podría dar lugar a una evolución rápida. ^{[ 4 ]}

Los científicos descubrieron que los cambios en la metilación del ADN inducidos por el estrés se heredaban en los dientes de león asexuales . Plantas genéticamente similares fueron expuestas a diferentes tipos de estrés ecológico, y su descendencia se crió en un ambiente sin estrés. Se utilizaron marcadores de polimorfismo de longitud de fragmentos amplificados sensibles a la metilación para analizar la metilación a escala genómica. Se observó que muchos de los tipos de estrés ambiental inducían defensas contra patógenos y herbívoros, lo que provocaba metilación en el genoma. Estas modificaciones se transmitían genéticamente a la descendencia de los dientes de león. La herencia transgeneracional de una respuesta al estrés puede contribuir a la plasticidad hereditaria del organismo, permitiéndole sobrevivir mejor a los estreses ambientales. También ayuda a aumentar la variación genética de linajes específicos con poca variabilidad, lo que aumenta las probabilidades de éxito reproductivo . ^{[ 5 ]}

Un análisis comparativo de los patrones de metilación de CpG entre humanos y primates reveló que más de 800 genes presentaban patrones de metilación variables entre orangutanes , gorilas , chimpancés y bonobos . A pesar de que estos simios comparten los mismos genes, las diferencias en la metilación son las responsables de su variación fenotípica . Los genes en cuestión participan en el desarrollo. No son las secuencias de proteínas las que explican las diferencias en las características físicas entre humanos y simios, sino los cambios epigenéticos en los genes. Dado que los humanos y los grandes simios comparten el 99% de su ADN, se cree que las diferencias en los patrones de metilación son la causa de su distinción. Hasta el momento, se conocen 171 genes con metilación exclusiva en humanos, 101 genes con metilación exclusiva en chimpancés , 101 genes con metilación exclusiva en gorilas y 450 genes con metilación exclusiva en orangutanes . Por ejemplo, los genes involucrados en la regulación de la presión arterial y el desarrollo del canal semicircular del oído interno están altamente metilados en humanos, pero no en simios. También hay 184 genes que se conservan a nivel de proteína entre humanos y chimpancés, pero tienen diferencias epigenéticas. Los enriquecimientos en múltiples categorías de genes independientes muestran que los cambios regulatorios en estos genes han dado a los humanos sus rasgos específicos. Esta investigación muestra que la epigenética juega un papel importante en la evolución de los primates. ^{[ 6 ]} También se ha demostrado que los cambios en los elementos cis-reguladores afectan los sitios de inicio de la transcripción (TSS) de los genes. Se encontraron 471 secuencias de ADN enriquecidas o empobrecidas con respecto a la trimetilación de histonas en la histona H3K4 en las cortezas prefrontales de chimpancés, humanos y macacos. Entre estas secuencias, 33 están selectivamente metiladas en la cromatina neuronal de niños y adultos, pero no en la cromatina no neuronal. Un locus que se metiló selectivamente fue DPP10 , una secuencia reguladora que mostró evidencia de adaptación a los homínidos , como tasas de sustitución de nucleótidos más altas y ciertas secuencias reguladoras que estaban ausentes en otros primates. La regulación epigenética de la cromatina TSS se ha identificado como un desarrollo importante en la evolución de las redes ^de expresión génica en el cerebro humano. Se cree que estas redes desempeñan un papel en los procesos cognitivos y los trastornos neurológicos .^{7 ]} Un análisis de los perfiles de metilación deespermatozoidesrevela que la regulación epigenética también juega un papel importante aquí. Dado que las células de mamíferos experimentan una reprogramación de los patrones de metilación del ADN durante elde las células germinales, los metilomas de los espermatozoides humanos y de chimpancés pueden compararse con la metilación encélulas madre embrionarias(CME). Hubo muchas regiones hipometiladas tanto en los espermatozoides como en las CME que mostraron diferencias estructurales. Además, muchos de lospromotoresen los espermatozoides humanos y de chimpancés tenían diferentes cantidades de metilación. En esencia, los patrones de metilación del ADN difieren entre las células germinales ylas células somáticas, así como entre los espermatozoides humanos y de chimpancés. Es decir, las diferencias en la metilación del promotor podrían explicar las diferencias fenotípicas entre humanos y primates. ^{[ 8 ]} La investigación también ha mostrado cantidades sorprendentes de metilación conservada específica de tejido, en línea con el parentesco filogenético ^{[ 9 ]}

El gallo silvestre rojo, antepasado de las gallinas domésticas, mostró que los perfiles de expresión génica y metilación en el tálamo y el hipotálamo diferían significativamente de los de una raza doméstica de gallinas ponedoras. Las diferencias de metilación y la expresión génica se mantuvieron en la descendencia, lo que demuestra que la variación epigenética es hereditaria. Algunas de las diferencias de metilación heredadas fueron específicas de ciertos tejidos, y la metilación diferencial en loci específicos no se modificó mucho después del cruce entre gallos silvestres rojos y gallinas ponedoras domésticas durante ocho generaciones. Los resultados sugieren que la domesticación ha provocado cambios epigenéticos, ya que las gallinas domésticas mantuvieron un nivel más alto de metilación para más del 70 % de los genes. ^{[ 10 ]}