Influencias intrínsecas y del medio ambiente sobre la metilación del ADN y la expresión génica en peces

Dafni Anastasiadi

Resumen


Las perspectivas futuras para la industria acuícola, el encarecimiento de las principales fuentes proteicas en la elaboración de piensos y la “Estrategia para el desarrollo sostenible de la acuicultura europea” adoptada por la Comisión Europea en el año 2009 hacen que la búsqueda de ingredientes alternativos sea, hoy en día, uno de los objetivos principales en el campo de la nutrición acuícola. En la actualidad, las algas constituyen un ingrediente potencial para ser utilizadas en la alimentación de peces debido a que presentan un contenido elevado de proteína, en particular las microalgas, acompañado por un buen perfil de ácidos grasos y adecuados niveles de vitaminas y minerales. Su aplicación en la alimentación de peces tiene interés desde una doble perspectiva; i) reduciendo la dependencia de insumos derivados de las pesquerías, y ii) mejorando el estado de condición de los animales en las distintas etapas de su vida productiva

Los procesos epigenéticos, influidos por factores intrínsecos y ambientales, son cruciales para la regulación de la expresión génica y, en última instancia, el fenotipo. La especie modelo que se utilizó fue la lubina (Dicentrarchus labrax), una de las especies más importantes para la acuicultura mediterránea. Se estudiaron influencias intrínsecas tales como la edad, los tejidos, el sexo y la constitución genética y, por otro lado, los factores ambientales tales como la temperatura y las condiciones de cultivo en la metilación del ADN y el fenotipo durante el desarrollo temprano y en los adultos. La tesis consta de 5 capítulos.

El capítulo 1 estudia los cambios en la metilación del ADN relacionados con la edad y el reloj epigenético multi-tejido para estimar la edad biológica en los mamíferos. Se utilizaron individuos de tres clases de edad para investigar el estado de metilación de loci específicos mediante la metodología “Multiplex Bisulfite Sequencing” diseñada para este estudio. Identificamos CpGs en ciertos loci que exhiben disminuciones o aumentos de la metilación del ADN con la edad, lo que indica su utilidad como biomarcadores de la edad en los peces. Se sugiere un reloj epigenético en peces el cual puede ser muy útil para la determinación de la edad biológica (independiente de la cronológica) en peces tanto capturados como de crianza y su correlación con indicadores de calidad del producto.

En el capítulo 2 se estudió el efecto de pequeños aumentos de temperatura, dentro de la magnitud pronosticada por los últimos modelos de calentamiento global (1-4ºC), en la metilación y expresión génica global del ADN durante el desarrollo. Se evaluó la metilación del ADN mediante el “Methylation Sensitive Amplified Polymorphism“ (MSAP) en las larvas criadas a regímenes de temperatura constante baja, media y alta, o bien sometidas a cambios de temperatura durante el desarrollo temprano, y en los juveniles sometidos a temperatura baja o alta al periodo tardío de desarrollo. Los resultados mostraron que aumentos de 2 a 4°C en la temperatura durante los estadios larvarios son capaces de inducir cambios epigenéticos que tienen consecuencias en la expresión génica y que, además, persisten durante años en algunos tejidos clave para la calidad del producto, como es el caso del músculo esquelético.

En el capítulo 3 se estudiaron los efectos de los antecedentes genéticos, la temperatura y sus interacciones en un sistema de determinación de sexo poligénico con influencias de la temperatura. La temperatura altera la metilación del promotor de la aromatasa gonadal en la lubina y otros genes implicados en el desarrollo sexual en el lenguado. Aquí, el estado de metilación del ADN de los genes implicados en el desarrollo sexual fue interrogado en progenitores conocidos por dar más o menos hembras, así como a su descendencia, que fue sometida a temperaturas bajas o altas durante el periodo termosensible. Los niveles de metilación del ADN fueron consistentes dependiendo del tratamiento de sexo y temperatura según la asociación de los genes con el desarrollo masculino o femenino. Además, el componente genético del sistema de determinación sexual influyó en la respuesta mediada epigenéticamente a la temperatura. Los perfiles de metilación asociados al desarrollo masculino o femenino de los progenitores pueden pasar a la descendencia. Por lo tanto, una “programación epigenética” puede aplicarse en acuicultura identificando los progenitores con estos perfiles de metilación para proporcionar las características deseadas.

En el capítulo 4 se investigó la regulación de la expresión génica por metilación del ADN en tejidos de diferente complejidad transcriptómica. Las evidencias que sustentan el modelo estándar de represión transcriptómica por metilación del promotor de genes se han basado principalmente en tejidos de especies modelos y líneas celulares. En este trabajo se utilizaron dos tejidos de lubina con alta y baja heterogeneidad celular, testículo y músculo, y se evaluaron los patrones genéticos de metilación del ADN mediante la “Reduced Representation Bisulfite Sequencing” (RRBS) y los patrones de expresión génica por secuenciación de ARN, para evaluar la asociación de las características de genes con patrones de expresión génica. Por primera vez en cualquier organismo, se mostró una clara relación inversa, cuasilineal, entre la metilación del primer intrón y la expresión génica a nivel genómico. Las regiones diferenciadamente metiladas específicas del tejido se encontraron también más concentradas en el primer intrón que cualquier otra característica génica. Estos hallazgos confirman la importancia de la región promotora pero aún más del primer intrón en la regulación de la expresión génica. La comprensión de los mecanismos básicos de esta regulación es importante porque la expresión génica determina el fenotipo, el control del cual es de interés para la producción de características deseadas en stocks de acuicultura.

En el capítulo 5 se aborda un aspecto no resuelto de la domesticación de los animales. Los animales domésticos comparten un conjunto de características fenotípicas asociadas a su desarrollo en un ambiente artificial conocidas como el “síndrome de domesticación”, que fue descrito por primera vez por Darwin. Sin embargo, los mecanismos subyacentes han permanecido desconocidos hasta la fecha. En el año 2014 se hipotetizó que este síndrome tiene su origen en alteraciones en el programa de desarrollo de células derivadas de la cresta neural, que colonizan distintos tejidos durante el desarrollo. Sin embargo, los escasos estudios llevados a cabo hasta la fecha en mamíferos no han sido concluyentes. Utilizando lubinas sin diferencias genéticas importantes, unas salvajes y otras sometidas a condiciones de cultivo, se estudió la posible implicación de cambios epigenéticos en los estadios iniciales pasos para la domesticación. Se encontraron diferencias en la metilación del ADN a nivel genómico asociadas con el ambiente de cultivo en ausencia de diferenciación genética. Los genes asociados con estas diferencias están implicados en el desarrollo del sistema nervioso, incluyendo de forma muy significativa la migración, la diferenciación y el desarrollo de las células de cresta neural. Se proporcionan, por tanto, las primeras evidencias empíricas jamás obtenidas que apoyan la hipótesis de déficit de células derivadas de la cresta neural para explicar el síndrome de domesticación de Darwin.

 

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Palabras clave


Metilación del ADN, medio ambiente, peces, temperatura, domesticación.

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Referencias


Anastasiadi, D., Díaz, N., Piferrer F. Small ocean temperature increases elicit stage-dependent changes in DNA methylation and gene expression in a fish, the European sea bass. En consideración en Scientific Reports.

Anastasiadi, D., Vandeputte, M., Sánchez-Baizán, N., Chatain, B., Piferrer F. The genetic makeup and temperature together affect the DNA methylation of gonadal aromatase and other genes important for European sea bass sexual development. Enviado a PLoS Genetics.

Anastasiadi, D., Esteve-Codina, A., Piferrer F. Methylation of the first intron shows genome wide negative correlation with gene expression in tissues of different transcriptomic complexity. A punto de ser sometido a Genome Biology.

Anastasiadi, D., Piferrer, F. Age-related DNA methylation changes in somatic and gonadal tissues in the European sea bass –A piscine epigenetic clock? En preparación.

Anastasiadi, D., Piferrer, F. The first steps to domestication in fish support the neural crest cell deficit hypothesis to explain Darwin’s domestication syndrome. En preparación.


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