Cada célula del cuerpo tiene dos genomas, uno de la madre y otro del padre. Hasta ahora, los investigadores no tenían las herramientas para examinar, en una sola célula, la lectura exacta de cada genoma para producir ARN. Usandouna nueva tecnología que permite a los investigadores hacer precisamente eso, un equipo interdisciplinario de la Universidad de Pensilvania examinó una enfermedad rara en la que estos dos genomas se expresan de manera diferente en todo el cuerpo, incluso a veces en el mismo órgano. Descubrieron que, a nivel de una sola célula, el genLa expresión fue muy variable y bastante diferente de lo esperado, lo que ahora arroja luz sobre las causas moleculares de las enfermedades raras y quizás la naturaleza compleja de los tumores.
"Este es un gran ejemplo de colaboración entre escuelas", dijo la coautora principal Marisa Bartolomei, PhD, profesora de Biología Celular y del Desarrollo en la Facultad de Medicina de Perelman. Sus colegas son la coautora principal Jennifer M. Kalish, MD, PhD, experto en trastornos raros del crecimiento del Hospital de Niños de Filadelfia, y el coautor principal Paul Ginart, candidato a MD / PhD y coautor principal Arjun Raj, PhD, ambos de la Escuela de Ingeniería y AplicadoSciences at Penn, que ideó la tecnología para obtener imágenes de genes individuales en células individuales. El equipo publicó sus hallazgos en Genes y desarrollo .
"Con esta nueva técnica, ahora podemos ver qué células expresan qué genoma", dijo Bartolomei.
Silencio de los genes
Para la mayoría de los genes, las personas heredan dos copias, una materna y otra paterna. Sin embargo, en el caso de un fenómeno llamado impronta, la descendencia hereda solo una copia funcional de un gen y, según su origen parental, la expresión del gen escontrolado por un grupo metilo agregado durante la formación de óvulos o espermatozoides para tensar físicamente el ADN de modo que no se pueda leer para producir ARN y finalmente proteínas.
Se imprime una pequeña cantidad de genes, pero son fundamentales para el desarrollo normal. Los genes impresos normalmente se activan desde el cromosoma materno o el cromosoma paterno, pero no ambos. En los trastornos de la impronta humana, los genes impresos se activan anormalmente para amboslos genomas materno y paterno, o desconectados anormalmente de ambos genomas. La expresión anormal puede estar relacionada con mutaciones genéticas y errores en la ubicación del grupo metilo una función de la epigenética.
La variabilidad de una célula a otra en la que los genes se expresan en el mismo órgano puede ayudar a explicar por qué muchas enfermedades muestran un patrón de "mosaico", con diferentes partes del cuerpo que presentan diferentes grados de enfermedad. Esta mezcolanza puede ocurrir debido a erroresen la impresión.
Los defectos en la impronta pueden llevar a una expresión inapropiada de la versión normalmente silenciada del gen, pero no está claro si cada célula de un órgano determinado expresa la versión anormal ". Si este fuera el caso, tendría profundas implicaciones para la impronta humanatrastornos ", dijo Kalish.
Ayuda de los raros
Los trastornos de la impronta son raros. Kalish trabaja con dos: el síndrome de Russell-Silver, un trastorno del crecimiento insuficiente que ocurre en aproximadamente 1 de cada 50.000 a cada 100.000 nacimientos, con síntomas de estatura baja y asimetría de miembros, cuerpo o cara. El síndromeimplica submetilación de dos genes, H19 e IGF2. H19 codifica un ARN no codificante que limita el crecimiento, mientras que IGF2 es un factor de crecimiento. En el 50% de los casos, el síndrome de Russell-Silver se asocia con un error de impresión en el cromosoma 11 en el quela persona recibe dos copias de la marca de impronta de la madre en lugar de una de cada padre. Los niños Russell-Silver tienen demasiada señal de no crecer H19 y muy poca señal de crecimiento IGF2. La otraEl trastorno de impronta es el síndrome de Beckwith-Wiedemann, un trastorno de crecimiento excesivo generalmente presente al nacer, caracterizado por un mayor riesgo de cáncer infantil y características congénitas como lengua grande, gran peso al nacer y asimetría de miembros, cuerpo, órganos y cara.
Estos síndromes muestran una variedad de síntomas, lo que ocurre porque algunas células en un órgano determinado expresan genes maternos mientras que otras expresan genes paternos. "Pero los genes maternos son los que limitan el crecimiento de las células", dijo Kalish. "Esto significa queel patrón de mosaico es en realidad una mezcla de células normales y células anormales, con un equilibrio interrumpido entre las señales de crecimiento de mamá y las señales de crecimiento de papá, en el mismo tejido. Esto es lo que explica un órgano agrandado o demasiado pequeño enla misma persona ". En algunos casos, los pacientes pueden tener pares de riñones de diferentes tamaños.
Utilizando ratones, el equipo comparó genomas celulares en ratones normales con ratones con síndrome de Russell-Silver. A nivel de población celular, preguntaron qué células individuales tienen la impronta materna correcta y qué células tienen la impronta materna anormal para el gen H19. En Russell-Se expresa H19 materno y paterno en ratones plateados.
Utilizando la nueva tecnología de Raj, desarrollaron una sonda molecular para detectar un cambio de un solo nucleótido en el ARN expresado en los genomas de mamá frente a papá para mostrar cuál se expresa célula por célula. Este método midió la expresión específica de variantes de genes en células individuales. En elmodelo de ratón del síndrome de Russell-Silver, encontraron que algunas células tenían ARN de la versión materna y paterna anormal, como se ve en los pacientes de Russell-Silver mientras que otras células solo tenían el ARN materno normal.
"Demostramos que las células fibroblásticas de embriones de ratón mutantes se componen de dos subpoblaciones: las que expresan las versiones H19 materna y paterna [anormal] y las que expresan solo la copia materna [normal]", dijo Bartolomei. "Solo en la última célula normalpoblación es la expresión de Igf2 detectada. "
En los ratones Russell-Silver, todas las células tenían el mismo cambio genético, pero no todas las células tenían el mismo patrón de metilación del ADN, lo que explica la disposición en mosaico de la expresión génica mediante la epigenética: el silenciamiento normal de una versión de un gen por el agregadogrupo metilo durante la formación de óvulos o espermatozoides.
Las dos subpoblaciones mutantes de células exhibieron patrones de metilación distintos en la región de control de impresión de sus respectivos genomas. Las células que expresaron H19 solo del genoma materno tenían el patrón de metilación del ADN correcto, mientras que las células que expresaron H19 de los genomas maternos y parentalesexhibieron una pérdida de metilación del ADN H19. Es importante destacar que también observaron que las mismas dos subpoblaciones también están presentes dentro del tejido del corazón del ratón, mostrando el mismo defecto en un ratón entero vivo.
"Esta es la primera vez que se ha demostrado el mosaicismo epigenético a nivel de una sola célula", dijo Bartolomei. "Lo que esto significa es que la epigenética, el equilibrio de endurecimiento o aflojamiento del ADN para controlar qué genes se expresan cuando ...es el motor del mosaicismo a nivel de la población celular. Nuestros resultados establecen que los trastornos de la impronta pueden mostrar una sorprendente heterogeneidad unicelular y sugieren que tal heterogeneidad puede ser la base del mosaicismo epigenético en los trastornos de la impronta humana ", dijo Bartolomei.
"El mosaicismo epigenético que se muestra en este trabajo explica el espectro de características clínicas que vemos en nuestros pacientes; todo tiene sentido", dijo Kalish. "Ahora sabemos lo que está sucediendo".
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Materiales proporcionado por Facultad de Medicina de la Universidad de Pennsylvania . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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