Memorias 2013 - Conferencia Científica Anual sobre Síndrome Metabólico 2013 -

1. Regulación epigenética y el efecto
del ambiente en el riesgo para el
desarrollo de DMT2
MC. Paola Vázquez Cárdenas
Dra. Ma. Teresa Tusié Luna
Agosto 15, 2013

2. 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

3. Fisiopatología de la DT2
Insulina
Páncreas
Tejido adiposo
Hígado Músculo
2. Producción
de glucosa
1. Lipólisis
3. Incorporación
de glucosa
Disfunción
célula β
DIABETES
MELLITUS
Resistencia
a la insulina
Ácidos grasos Glucosa sanguínea

4. Genética de la DT2
Voight, et al., Nature, 2012

5. Genética de la DT2
Figura 1.5. Localización de las proteínas codificadas por los genes asociados a la DT2 en la célula ática.
Durante el ayuno, los niveles de glucosa basales oscilan entre 5-6 mM y la membrana de las células á polarizada ( -80
mV). Cuando la glucosa entra a la célula a través de su transportador GLUT2 y es metabolizada, aumenta el radio
ARHGEF
Glucosa
Glucosa-6-fosfato
Glucólisis
Ciclo de
Krebs
Mitocondria
Glucosa
Transportador
de glucosa
(GLUT2)
Canal de K+
sensible a ATP
K+
Despolarización
Ca2+
Secreción
de insulina
Receptor
de insulina
Glucosa
Pozas
intracelulares
de Ca2+
Ca2+
Gránulos
de insulina
Retículo
endoplásmico
K+
ATPATP
ADAMTS9
TSPAN8
NOTCH2
THADA
CDC123
JAZF1

6. Loci asociados a DT2 en población mestiza
mexicana
Gamboa, et al., Diabetes, 2012
Odds Ratio
1.0 1.5
UBQLNL
TSPAN/LGR5
TCF7L2
SLC30A8
RORA
RALGPS2
PPARG
NXPH1
NOTCH2
KCNQ1
KCNJ11
JAZF1
IGF2BP2
HHEX
FTO
CDKN2A/2B
CDKAL1
CDC123/CAMK1D
ARHGEF11
ADAMTS9

7. Genética de la DT2
Gráfico QQ residual para loci asociados a DT2 en
población mestiza mexicana
SIGMA consortium 2012, confidencial
~60 SNPs asociados a DT2
Efectos 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

8. Ambiente
Resistencia a la
insulina
Secreción de
insulina
Componente genético de las
enfermedades complejas
¿?
Waki, et al. Curr Diab Rep, 2012
Burdge GC. Annu Rev Nutr., 2010
Intrauterino Estilo de vida

9. Epigenética
• Definición:
– Cambios heredables de la expresión génica que ocurren sin que se
presenten modificaciones en la secuencia de DNA
DNA
Histonas
Otras
proteínas
Cromatina
Información que regula la expresión génica
en respuesta a señales ambientales
Rodríguez-Dorantes M, et al. Rev Invest Clin (2004) 1: 56-71

10. Un genoma
Epigenomas
DNA
Cromatina
Información
almacenada
Información
organizada
Patrones epigenéticos
tejido-específicos
Modificables

11. Mecanismos epigenéticos
Mecanismos
1. Metilación de DNA
2. Modificación de histonas:
Acetilación
Metilación
Fosforilación
Otras
3. Complejos remodeladores de la
cromatina ATP dependientes
4. Polycomb y Trithorax
5. RNAs no codificantes (lncRNA,
miRNAs, siRNA)
6. Dinámica nuclear
The American Association for Cancer Research Human Epigenome Task Force. Nature 2008;454:711-715
Matouk, C. C. et al. Circ Res 2008;102:873-887
TheAmericanAssociationforCancer
ResearchHumanEpigenomeTaskForce
andtheEuropeanUnion,Networkof
Excellence,ScientificAdvisoryBoard
It isnowpossibletodefinewholeepigenomes,
representingthetotalityof epigeneticmarks
inagivencell type.Epigeneticprocessesare
essential for packagingandinterpretingthe
genome,arefundamental tonormal develop-
ment andareincreasinglyrecognizedasbeing
involvedinhumandisease.Epigeneticmech-
anismsinclude,amongother things,histone
modification,positioningof histonevariants,
nucleosomeremodelling,DNAmethylation,
small andnon-codingRNAs(Fig.1).These
mechanismsinteract withtranscriptionfac-
torsandother DNA-bindingproteinstoregu-
lategene-expressionpatternsinheritedfrom
cell tocell.Thepatternsunderlieembryonic
development,differentiationandcell identity,
transitionsfromastemcell toacommittedcell
andresponsestoenvironmental signalssuch
ashormones, nutrients, stressand damage.
Although epigenomicchangesareherit-
ableinsomaticcells,drugtreatmentscould
potentiallyreversethem.Thishassignificant
implicationsfor theprevention, diagnosis
andtreatment of major humandiseasesand
for ageing. Diseasesto betargeted could
includediabetes,cardiopulmonarydiseases,
Rett syndrome,other neurological disorders,
imprintingdisorders, autoimmunediseases
andcancer,inwhichmisstepsinepigenetic
programming have been directly impli-
cated.Indeed,several inhibitorsof chroma-
tin-modifyingenzymesincludinghistone
deacetylase(HDAC) inhibitorsand DNA
methyltransferase(DNMT) inhibitorshave
nowbeen approvedbytheUSFoodandDrug
Administrationor areinclinical trialswith
good prognosisfor tumour regression.Epige-
netictherapyisnowareality,but tomaximize
thepotential of suchtherapeuticapproaches, thehuman epigenome, and we urge the AHEADproject istoprovidehigh-resolution
humanepigenomeproject
A plan to‘genomicize’ epigenomicsresearchand pavetheway for breakthroughsintheprevention,
diagnosisand treatment of humandisease.
c
Me
Me
Me
Me
Ac
Me
Ac
Me
Me
c
g
c
g
g
Histones
Chromosome
Histone tails
Chromatin remodeller
Non-coding RNAs
Transcription
Figure1| Epigenetic
mechanisms. Thecoding
and structural information
in thebasesequenceof DNA
isorganized in chromatin to
form multipleepigenomes.
DNA cytosinemethylation and
covalent modificationsof the
tailsof histonesand histone
variantscontributeinformation
to nucleosomal remodelling
machinesthat render genesand
non-codingRNAssusceptible
to transcription. Transcription
factors(not shown) also play a
major part in thecompetence
and organization of the
epigenome. TheAHEAD project
will map epigeneticmarksin a
defined set of epigenomes.
Nature Reviews| Genetics
Histone tail modifications
Linker histone
H2A.Z
H2B H2A
H3 H4
H3.3
Ac
Ac
Me
H1
b
Figure1| Nucleosome structure. a|Structureof anucleosomecoreparticle(front and sideview)2,131
.Histonesare
shown inlight grey,and theDNAhelix isshown in darkgreywith apinkbackbone.Basic amino acids(lysineand
arginine)within7Åof theDNAareshowninblueto emphasizetheelectrostatic contactsbetween theDNA
phosphatesand thehistones. b|Aschematic of DNAwrapped around anucleosome.Examplesof histonetail
modifications(Ac,acetylation;Me,methylation)and histonevariants(H2A.Zand H3.3)areshown.Arrowsindicatethe
replacement of canonical histoneswith histonevariants.Part acourtesyof S.Tan,PennsylvaniaStateUniversity,USA.
external stimuli or how misregulation of nucleosome
positioningleadsto developmental defectsand cancer.
Genomic organization of nucleosomes
Until recently, it wasunclear whether deposition of his-
toneson DNA duringDNA replicationoccursat random
positions.Random deposition impliesthat nucleosomes
lack positional cuesand that histonesaresimply DNA
packaging proteinsthat areremoved and redeposited
as DNA and RNA polymerases pass through them.
Alternatively, individually positioned nucleosomes
could takeon specificphysiological functionsdepending
on wherethey residein thegenome. In thissection, we
will discusshow cellsuseboth random deposition and
specificpositioningof histonestoorganizenucleosomes.
Thisunderstandinghasarisen through thedevelopment
of technologiesthat haveallowed genome-widemap-
ping of nucleosomepositioning; westart by describing
thisprogressthen wediscussthegenomicpropertiesof
nucleosomes.
A brief historyof nucleosomecartography. In 2004, the
yeast genesweredepletedof nucleosomescomparedwith
other regionsof thegenome.However,higher-resolution
nucleosomemapsclarified that geneactivation resulted
in additional nucleosomedepletion5,7–11
. Furthermore,
antibodiesthat werespecificfor individual histonepost-
translational modificationsshowed that thepromoter
regions of highly transcribed genes were particularly
enrichedwithnucleosomesthat containedacetylatedand
methylated histones12–14
.Thefunction of thesemodified
histonesremainsan areaof activeresearch.
By 2005, microarrayshad been developed that had
shorter DNA probesand shorter probe–probegenomic
distances, which provided higher resolution viewsof
nucleosomes. However, printing technology limited
the search space to small sections of small genomes.
Nonetheless, thesearraysshowed that thenucleosomes
at most genesare organized around the beginning of
genesin basically thesameway15
:aNFRflanked bytwo
well-positioned nucleosomes (the –1 and +1 nucleo-
somes), which isfollowed by anucleosomal array that
packagesthegene(FIG. 2).Thisbasicpattern hasalsoheld
truefor metazoans16,17
.
EWS

12. Metilación del DNA
Metilación 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, 5:401-408
Nafee 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
Histona
Me
Metilación del DNA

13. 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

14. Efecto dinámico de la dieta sobre la
metilación del DNA
+ SAM
DNMT
MTHFR SNP 677C>T
Efecto 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

15. 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

16. 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 0.225
HOMA-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 tardía
Insulina 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 >1mg
rs1801133
p
rs1801133
p
rs1801133
pAditivo Aditivo Aditivo
OR/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.

17. 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

18. 16 donadores cadavéricos
5 casos DT2
11 controles
Similar grupo étnico, edad e IMC
Volkmar, M. EMBO. 2012
Estrés del retículo endoplásmico

19. 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 USF1
al promotor de Pdx1
 mRNA de Pdx1
Progresión de desacetilación
de histonas
 Trimetilación de H3K4
 Dimetilación de H3K9
 mRNA de Pdx1
Alteraciones en niveles glucosa
Estrés oxidante
Posible reversión
de la desacetilación
Normalización permanente
de niveles de mRNA de Pdx1
 Dimetilación H3K9
Metilación de DNA de novo
Cierre/Silenciamiento de la
región del promotor de Pdx1
Diabetes
Hiperglucemia
Estrés oxidante
Diabetes

20. Rata Knock out de Pdx1: agenesia pancreática
Pdx +/-: desarrollo normal de masa β pancreática, desacople en GSIS
Humano Mutaciones homocigas: agenesia pancreática
Diabetes, ¿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 H3
Permanente trimetilación de H3K4
Previene metilación de DNA
Reversión, ¿cómo?
Pinney, et al., Curr Diab Rep, 2012

21. 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

22. RNAs no codificantes
ncRNAs pequeños
(18-200 nt)
ncRNAs largos
(200 nt-1000 kb)
miRNAs
Tamaño: 18-24 nt
Transcritos por RNA Pol II y III
siRNAs
Tamaño: 20-24 nt
Transcritos por RNA Pol II
piRNAs
Tamaño: 24-30 nt
Transcritos por RNA Pol II
IntrónicosTranscripción
Pri-miRNA
procesamiento
NÚCLEOCITOPLASMA
Pre-miRNA
Dicer
miRNA
5’
RISC
Represión
traduccional o
activación de mRNA
Transcripción Bi-direccional
ó
ó
siRNA
5’
PTGS:
Degradación
de mRNA
DRC1
RITS
TGS:
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
Duplicaciones
ncRNA pequeño ncRNA largo
Inserción de transposon que contiene un sitio de inicio de la transcripciión
Ponting CP. 2009
Posibles orígenes de los lncRNAs
lncRNAs
Tamaño: >200nt
Transcritos por RNA Pol II y III
Mecanismos de acción descritos para los lncRNAs
Regulación en cis Regulación en trans
Guttman M, Rinn J. 2012
Anzuelo
Modificación Alostérica
Collins L, 2011 Collins L, 2011 Collins L, 2011

23. miRNAs Diabetes y Obesidad

24. 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 grasas
Metilación del DNA
Genes asociados a dopamina y opioides
(cerebro; ratón)
Cdkn1a (hígado; rata)
Consumo inadecuado de energía
Metilación 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 neonatal
Metilación 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