1Clase terica

Gentica y Experiencia I

Dr. Pablo H. H. Lopez

Ctedra de Psicobiologa Experimental

2015

2Dicotomas

genotipo ambienteinnato adquirido

naturaleza cultura

genes conducta ambiente

genes conducta ambiente

genes ambiente

conducta

3

4Mensaje (prrafo)

dentro de una

pgina:

instruccin para

una protena

El fenotipo es la expresin del genotipo en un determinado ambiente.

El genotipo es el contenido gentico de un individuo, en forma de ADN.

5Genoma humano completo (2003)

Secuencia del ADN de todos los genes humanos

6El ADN es una doble hlice formada

de polmeros de nucletidos

El ADN y protenas llamadas histonas estn enrollados y

empaquetados para formar los cromosomas

La cromatina es el conjunto de ADN, histonas y protenas

no histnicas que se encuentra en el ncleo de las clulas

eucariotas y que constituye el cromosoma de dichas clulas.

7Exones / Intrones

Los exones no representan

ms del 2% o 3% del ADN

ARN

preliminarcon intrones

ARN

madurosin intrones

Los exones se pueden transcribir de distintas formas (ej. 1-2-3

omite el 4; 1-4 omite el 2 y 3; etc), lo que resulta en varias

protenas posibles a partir de un mismo gen. Notar que esto

derrumb el dogma previo de la gentica:

1 gen = 1 protena

ADN (gen)

8Cerebro Hgado RinIntestino

Todas las clulas del cuerpo poseen

la misma informacin gentica

Lo que las diferencia es la expresin

diferencial de sus genes

9Regulacin de la expresin gnica

Gen/GenesFenotipo

10

Alelos: formas alternativas de un gen

Relacin alelos y fenotipo

recesivo vs dominante

Variaciones de alelos: color de

ojos

Un alelo >> muchos fenotipos

Varios alelos distintos >> 1

fenotipo (fenilcetonuria)

11

ENDOFENOTIPO

GENOTIPOFENOTIPO

GENOTIPO

FENOTIPO

Gen Protena FENOTIPO

12

12

MODELOS ANIMALES: cobayo y rata

Genes Gnadas Hormonas (fetal / post-natal) Desarrollo dimrfico

MODELO CLSICO (cobayo, rata)

Resalta al gen Sry como iniciador de un proceso complejo en el que intervienen influencias tanto genticas como ambientales

rganos sexuales (internos y

externos

Sistema nervioso

Conducta

X X

X Y

Ovarios

TestculosAmbiente hormonal:Estrgenos

AndrgenosSexo cromosmico

Fenotipo sexual

Sexo gonadal

Sexo hormonal

Todos estamos genticamente programados para desarrollar un cuerpo femenino. En los varones este programa es anulado.

13

Ratn de la derecha: los genitales externos de un ratn XX (genticamente hembra) pero al cual se le insert el gen Sryy fue convertido as en un animal transgnico, son genitales de macho, indistinguibles de los genitales de un macho XY

normal (ratn de la izquierda). Koopman et al., 1991

Esquema del cromosoma sexual Y

y ubicacin del gen Sry

14

Sexo del cocodrilo y del pez payaso: depende del ambiente

Pelaje de los conejos

de los Himalayas

depende del ambiente

(temperatura)

15

rasgo monognico

rasgo polignico

1 locus, pero posibles

numerosos alelos

Varios loci. Diversos alelos

Los fenotipos suelen

extenderse en un

contnuo, sin formas

discretas claras

El fenotipo puede

consistir en un rasgo

claramente detectable

y categorizable (no

siempre)

monognica = mendeliana =

enfermedades de un solo gen

polignicas = multifactoriales = complejas

FENOTIPOS MONOGNICOS Y MULTIGNICOS

16

OMS (2005):

Los conocimientos de genmica obtenidos en las dos ltimas dcadas ha

hecho evidente que la categora tradicional llamada "enfermedad

gentica" representa solo aquellos trastornos en los que la contribucin

gentica es particularmente notable, pero en realidad las enfermedades

se pueden ordenar a lo largo de un espectro que representa la

contribucin variable de genes y el ambiente.

-- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Trastornos genticos:

Trastornos monognicos (ej. fibrosis qustica, hemofilia)Trastornos cromosmicos (ej. sndrome de Down)

Trastornos multifactoriales (polignicos, con fuerte interaccin de

factores genticos y ambientales, no se han considerado

tradicionalmente como trastornos genticos:

Malformaciones congnitas (ej. defectos del tubo neural)Trastornos con predisposicin gentica (ej. enfermedades crnicas [hipertensin, diabetes, depresin, trastorno bipolar]

OMS

17

rasgo polignico

Varios loci. Diversos alelos

Los fenotipos suelen

extenderse en un

contnuo, sin formas

discretas claraspolignicas = multifactoriales = complejas

Problema: entender de qu manera los fenotipos complejos dependen de la

interaccin entre genes y ambiente

Estudios de gemelos y adopcin

Estudios de ligamiento (linkage studies)

Estudios de asociacin (association studies)

Estudios de asociacin con rastreo genmico amplio (gene-wide association

studies). Genmica con chips de ADN (DNA microarrays]

18

Probabilidad de riesgo de padecer esquizofrenia en relacin al

grado de parentesco con enfermos de esquizofrenia.

Patrones comportamentales que tienen un componente gentico

pero en donde la influencia del ambiente es importante

9

19

A

AMBIENTE Y MANIFESTACIN DE FENOTIPOS 1

Lo que nos interesa es el FENOTIPO (ej. salud / enfermedad)

20Conducta de alimentacin inducida por la presencia de alimento

C. Elegans

Un nico gen modifica el fenotipo de

conducta inducido por el ambiente

21

Fenilcetonuria

Sin anomalas, o

con anomalas

leves

Retraso de las habilidades sociales Tamao de la cabeza considerablemente por debajo de lo normal Hiperactividad Movimientos espasmdicos de brazos y piernas Retraso mental Convulsiones Erupcin cutnea Temblores Postura inusual de las manos

Ausencia de fenilalanina en la dieta

Dieta rica en fenilalanina

POLIFENISMO: significa fenotipos

alternativos irreversibles provocados

por el ambiente. El polifenismo es

dado por el ambiente. (el

polimorfismo es dado por el genotipo)

22

H i j o

Fenilcetonuria

Conducta

materna

La epigentica hace referencia al estudio de todos aquellos factores no genticos

que intervienen en la determinacin del desarrollo de un organismo, desde el vulo

fertilizado hasta su senescencia. Es la regulacin heredable de la expresin gnica

sin cambio en la secuencia de nucletidos.

Cambio

epigentico

23

Regulacin de la expresin gnica

Gen/GenesFenotipo

24

Preguntas de la epigenmica

La pregunta ms general es cmo se activan y desactivan los genes frente a las distintas seales de inters, durante el desarrollo, la accin

de estmulos ambientales de distinto tipo (ej. estresores), a causa del

efecto de frmacos (tanto en la teraputica como en la adiccin a

drogas), etc.

Ofrece un marco conceptual para entender las diferencias observadas en gemelos idnticos (en conducta, personalidad, enfermedades [ej.

enfermedades mentales]), y permite hacerse preguntas sobre la

etiologa de enfermedades mentales o de otro tipo.

Cmo se transmiten caractersticas fenotpicas de una generacin a otra que fueron inducidas en una de las generaciones por efectos que

no alteran la secuencia del ADN.

25

26

27

Epigenetic programming by maternal behavior

Ian C G Weaver1,2, Nadia Cervoni3, Frances A Champagne1,2, Ana C DAlessio3, Shakti Sharma1,

Jonathan R Seckl4, Sergiy Dymov3,Moshe Szyf2,3 & Michael J Meaney1,2

Nature Neuroscience 2004

Un trabajo de investigacin cientfica sobre la interaccin

genes-ambiente. En este caso se muestra de qu manera el

ambiente puede producir cambios epigenticos que modulan

la expresin de un gen importante para la respuesta al estrs.

28

Comportamiento maternal

Contactos intermitentes

Cuidado de crias

Acicalamiento y lamida

pup licking and grooming (LG) and arched-back nursing (ABN)

Madres conBajo (low)-LG-ABN.

Madres con Alto (high)-LG-ABN

29

Sensibilidad de cras al stress

Madres con

Bajo (low)-LG-ABN.

respuesta modestaal stress

Madres con

Alto (high)-LG-ABN.

Alta respuestaal stress

Liu D et al science 277 1997

30

Sensibilidad de cras al stress

Madres con

Bajo (low)-LG-ABN.

respuesta modestaal stress

Madres con

Alto (high)-LG-ABN.

Alta respuestaal stress

Liu D et al science 277 1997

31

Expresin aumentada del mRNA del receptor

de glucocorticoides (GR) en el hipocampo

WISH

Liu D et al science 277 1997

Alta expresin del GR en el hipocampo de cras provenientes de

madres con buenos cuidados maternos (high-LG-ABN mothers)

32

Efectos epigenticos duraderos del estilo de conducta materna (rata)

Estilo

materno:

Madres

cuidadosas

Rcp glucocorticoides

en hipocampo de la

cra

Mejor regulacin de

hormonas que

participan en la

respuesta al estrs

AMBIENTE EPIGENOMA

Influencia de genes maternos + respuesta de las cras

Manipulacin

de ratas

neonatales

(per. crtico)

Mejor regulacin de hormonas que participan en la

respuesta al estrs.

conducta exploratoria rpta a estm estresores

33

Esquema del mecanismo postulado

La conducta de las madres LG-ABN+ produce lo siguiente:

actividad serotoninrgica en el hipocampo de las cras

cAMP y de la protena cinasa dependiente de cAMP

Expresin del factor de transcripcin NGFI-A (prot A inducible por NGF)

Unin de NGFI-A al 1er exn del RGC

Expresin del RCG

exn del RGC

NGFI-A

El estado de metilacin del

sitio de unin de NGFI-A es

plstico perinatalmente. La metilacin impide la

unin de NGFI-A

exn del RGC

NGFI-A

H

HA

La acetilacin de las

histonas abre el ADN y permite un mejor acceso

34

Esquema del mecanismo postulado

NGFI-A: Protena A inducible por el Factor de Crecimiento Neural.

35

Por qu tu ADN no es

tu destino

Enero 2010

36

Mapeo del exn 1 del gen del receptor de glucocorticoides

NGFI-A: Protena A inducible por el Factor de Crecimiento Neural.

CpG: doblete de nuclotidos CG, blancos de metilacin.

37

Mapeo del promotor del gen del receptor de glucocorticoides

GR EXON 17 promoter sodium bisulfite mapping

NGFI Binding site

Crias de madres muy baja metilacin en la regin 5 CpG con high-LG-ABN de union al factor NGFI-A

Cras de madres alta metilacin en la regin 5 CpG con low-LG-ABN de unin al factor NGFI-A

38

Madres sustitutas y marcas epigenticas

El patter de metilacin de DNA es establecido a travs de unaprogramacin dependiente del comportamiento animal.

39

El efecto del cuidado maternal en la

metilacin del DNA es sensible al tiempo

El pattern de metilacin del DNA se establece durante la primera

semana de vida y permanece constante durante la adultez

40

Resumen 1

El cuidado maternal puede producir una metilacin diferencialdurante la primer semana de vida la cual es mantenida en la adultez

No hay metilacin en elsitio de unin de NGFI-A

Alta metilacin en elsitio de unin de NGFI-A

Respuesta moderadaal stress

Alta respuesta

al stress

Cuidado maternal

High-LG-ABN Low-LG-ABN

41

Por qu tu ADN no es

tu destino

Enero 2010

42

Caracterizacin de la cromatina y el sitio de

unin de NGFI-A al promotor del GR

Histone H3-K9 acetylation associated with greater binding of NGFI-A protein to the hippocampal exon 17 GR promoter in the adult offspring of high-LG/ABN

ChIPPCRSouthern

43

Es reversible la programacin epigentica?

Un inihibidor especfico de las deacetilasas de histonas (TSA) revierte el efectodel pobre cuidado maternal sobre la metilacin de DNA, acetilacin de histonas y

la unin de NGFI-A al promotor del gen del receptor de glucocorticoides.

ChIPPCRSouthern

44

Resumen 2

High-LG-ABN GR Exon17

Low-LG-ABN GR Exon17

Alta acetilacin de la histona H3 K9Alta unin del NGFI-A al promotor

(metilacin baja)

(metilacin alta)

Baja acetilacin de la histona H3 K9Baja unin del NGFI-A al promotor

GR Locus Exon17

Reversin del efecto epigentico asociado con el cuidado maternal

InhibidorTSA

HDAC

Low-LG-ABN GR

Disminucin de la metilacin

Alta unin de NGFI-A al promotor del gen del GR

45

Efecto de la inhibicin de las deacetilasas en la

respuesta del eje HPA al stress

La inhibicin del proceso de deacetilacin produce una respuesta moderada al stress

46

Conclusin

CpG me

H3

HDAC

CpG me

H3

Baja expresin del receptor GR

Cuidado maternal

Low-LG-ABN High-LG-ABN

H3

CpG me

HACT

H3

CpG me

NGFI

Alta expresin del receptor GR

47

Cuidado materno

Low-LG-ABN High-LG-ABN

Baja expresin del

receptor GR

Alta expresin del

receptor GR

corticoides

STRESS

Persistencia del stress

corticoides

Control del stress

Conclusin