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La paramutación se observó por primera vez por el efecto que tenía sobre el color de los granos de maíz en las plantas de maíz.
Diagrama de cruz genética que muestra la paramutación de b1 en el maíz. La regulación epigenética diferencial de alelos genéticamente idénticos del gen b1 provoca una pigmentación púrpura en el tejido de la vaina. Una vez que los alelos B 'y BI se combinan en el F1, toda la progenie aparecerá B' (ligeramente pigmentada), incluso si la planta es genotípicamente BI homocigota. Los alelos BI convertidos (denominados B '*) adquieren la capacidad de paramutar alelos BI ingenuos. Ninguna descendencia de pigmentación oscura se produce en ninguna generación posterior, lo que destaca la permanencia de este ejemplo de herencia epigenética transgeneracional .

En epigenética , una paramutación es una interacción entre dos alelos en un solo locus , por lo que un alelo induce un cambio hereditario en el otro alelo. [1] El cambio puede deberse al patrón de metilación del ADN o modificaciones de histonas. [2] Se dice que el alelo que induce el cambio es paramutagénico, mientras que el alelo que ha sido alterado epigenéticamente se denomina paramutable. [1] Un alelo paramutable puede tener niveles alterados de expresión genética , que pueden continuar en la descendencia que hereda ese alelo, aunque el alelo paramutagénico ya no esté presente. [1] A través de la reproducción adecuada, la paramutación puede resultar en hermanos que tienen la misma secuencia genética, pero con fenotipos drásticamente diferentes . [3]

Aunque se estudió principalmente en maíz , la paramutación se ha descrito en varios otros sistemas, incluidos sistemas animales como Drosophila melanogaster y ratones. [1] [4] A pesar de su amplia distribución, los ejemplos de este fenómeno son escasos y su mecanismo no se comprende completamente.

Historia

William Bateson y Caroline Pellew dieron la primera descripción de lo que vendría a llamarse paramutación en 1915, cuando describieron guisantes "rebeldes" que siempre transmitían su fenotipo "rebelde" a su progenie. [5] Sin embargo, la primera descripción formal de la paramutación fue dada por RA Brink en la Universidad de Wisconsin-Madison en la década de 1950, quien hizo su trabajo en maíz ( Zea mays ). [5] Brink notó que alelos específicos expresados ​​débilmente del locus rojo1 (r1) en el maíz, que codifica un factor de transcripción que confiere pigmento rojo agranos de maíz , pueden cambiar heredablemente alelos específicos fuertemente expresados ​​a un estado de expresión más débil . [1] El estado de expresión más débil adoptado por el alelo cambiado es heredable y, a su vez, puede cambiar el estado de expresión de otros alelos activos en un proceso denominado paramutación secundaria. [1] Brink demostró que la influencia del alelo paramutagénico podría persistir durante muchas generaciones. [1]

Descripción

Los alelos que causan cambios hereditarios en los alelos con los que entran en contacto se denominan paramutagénicos y los alelos modificados por ellos son paramutables. Los alelos que no participan en esta interacción se denominan neutrales. Cuando están presentes juntos en un organismo, el alelo paramutable se convierte en el alelo paramutagénico y conserva su paramutagenicidad en las generaciones posteriores. Ningún cambio en la secuencia de ADN acompaña a esta transformación, sino que las modificaciones epigenéticas (por ejemplo, la metilación del ADN) diferencian los alelos paramutagénicos de los paramutables. En la mayoría de los casos, es el alelo paramutable el que está altamente transcrito y el alelo paramutagénico el que sufre poca o ninguna transcripción.

El primer ejemplo descrito y más investigado es el locus r1 en el maíz. El gen en este locus, cuando se transcribe activamente, codifica un factor de transcripción que promueve la producción de antocianinas , lo que da como resultado granos de color púrpura. Un alelo en este locus, denominado B ', es capaz de causar metilación en el otro alelo, BI. Esta metilación da como resultado una reducción de la transcripción y, como resultado, una disminución de la producción de antocianinas . Estos alelos no difieren en la secuencia de ADN, pero sí en el grado de metilación del ADN.. Como ocurre con otros ejemplos de paramutación, este cambio del alelo BI al alelo B 'es estable y heredable. Existen otros ejemplos similares de paramutación en otros loci de maíz , así como en otras plantas como el sistema modelo Arabidopsis thaliana y petunias transgénicas . [6] [7] [8]

También se ha documentado la paramutación en animales como moscas de la fruta , C. elegans y ratones . [1] [4] [9]

Mecanismo

Aunque los mecanismos específicos por los que actúa la paramutación varían de un organismo a otro, todos los casos bien documentados apuntan hacia la modificación epigenética y el silenciamiento del ARN como el mecanismo subyacente de la paramutación. [1]

En el caso del locus r1 en el maíz, la metilación del ADN de una región de repeticiones en tándem cerca de la región codificante del gen es característica del alelo paramutagénico B ', y cuando el alelo paramutable BI se vuelve paramutagénico, también adquiere el mismo ADN. patrón de metilación. [10] Para que esta metilación se transfiera con éxito, se requieren varios genes que codifican ARN polimerasas dependientes de ARN y otros componentes de las vías de silenciamiento del ARN , lo que sugiere que la paramutación está mediada por vías endógenas de silenciamiento del ARN. [1] La transcripción de ARN interferentes cortosde las regiones de repetición en tándem corrobora esto. En sistemas animales como Drosophila , los piRNA también se han implicado en la mediación de la paramutación. [4] Además de las características de metilación del ADN cambios de estado, los cambios en la modificación de histonas patrones en las regiones de ADN metilados, y / o mediante la exigencia de proteínas que modifican las histonas a paramutación mediata también se han observado en varios sistemas. [2] [9] Se ha sugerido que estas modificaciones de histonas desempeñan un papel en el mantenimiento del estado paramutado. [2] La región de repetición en tándem mencionada anteriormente en r1locus también es típico de otros loci que muestran paramutación o fenómenos similares a la paramutación. [5]

Sin embargo, se ha observado que no es posible explicar todas las apariciones y características de la paramutación con lo que se conoce sobre el silenciamiento transcripcional mediado por ARNi, lo que sugiere que otras vías y / o mecanismos también están en juego. [7]

Implicaciones

Se ha especulado que en cualquier población en particular, relativamente pocos genes mostrarían paramutaciones observables ya que la alta penetrancia de los alelos paramutagénicos (como B 'en el locus r1 en el maíz) conduciría al alelo paramutagénico o paramutable a la fijación . [3] Sin embargo, puede persistir la paramutación en otros loci con alelos paramutagénicos con menor penetrancia, lo que puede ser necesario que los fitomejoradores lo tengan en cuenta . [3]

Dado que existen ejemplos de paramutación, o fenómenos similares a la paramutación, en animales como moscas de la fruta y ratones, se ha sugerido que la paramutación puede explicar la aparición de algunas enfermedades humanas que exhiben patrones de herencia no mendelianos . [11]

Referencias

  1. ↑ a b c d e f g h i j Chandler, Vicki L. (23 de febrero de 2007). "Paramutación: del maíz a los ratones" . Celular . 128 (4): 641–645. doi : 10.1016 / j.cell.2007.02.007 . ISSN  0092-8674 . PMID  17320501 .
  2. ^ a b c Haring, Max; Bader, Rechien; Louwers, Marieke; Schwabe, Anne; van Driel, Roel; Stam, Maike (1 de agosto de 2010). "El papel de la metilación del ADN, la ocupación de nucleosomas y las modificaciones de histonas en la paramutación". The Plant Journal . 63 (3): 366–378. doi : 10.1111 / j.1365-313X.2010.04245.x . ISSN 1365-313X . PMID 20444233 .  
  3. ^ a b c Springer, Nathan M .; McGinnis, Karen M. (1 de agosto de 2015). "Paramutación en la evolución, genética de poblaciones y mejoramiento" . Seminarios en Biología Celular y del Desarrollo . Factores de paramutación y transcripción de Pax. 44 : 33–38. doi : 10.1016 / j.semcdb.2015.08.010 . PMID 26325077 . 
  4. ^ a b c de Vanssay, Augustin; Bougé, Anne-Laure; Boivin, Antoine; Hermant, Catherine; Teysset, Laure; Delmarre, Valérie; Antoniewski, Christophe; Ronsseray, Stéphane (2012). "Paramutación en Drosophila vinculada a la aparición de un locus productor de piRNA" . Naturaleza . 490 (7418): 112-115. Código Bib : 2012Natur.490..112D . doi : 10.1038 / nature11416 . PMID 22922650 . 
  5. ^ a b c Stam, Maike; Scheid, Ortrun Mittelsten (1 de junio de 2005). "Paramutación: un encuentro que deja una huella duradera". Tendencias en ciencia de las plantas . 10 (6): 283–290. doi : 10.1016 / j.tplants.2005.04.009 . ISSN 1360-1385 . PMID 15949762 .  
  6. ^ Zheng, Zhimin; Yu, Hasi; Miki, Daisuke; Jin, Dan; Zhang, Qingzhu; Ren, Zhonghai; Gong, Zhizhong; Zhang, Heng; Zhu, Jian-Kang (26 de mayo de 2015). "Participación de múltiples vías de silenciamiento de genes en un fenómeno similar a la paramutación en Arabidopsis" . Informes de celda . 11 (8): 1160-1167. doi : 10.1016 / j.celrep.2015.04.034 . ISSN 2211-1247 . PMC 4484736 . PMID 25981044 .   
  7. ↑ a b Arteaga-Vazquez, Mario Alberto; Chandler, Vicki Lynn (2010). "Paramutación en maíz: silenciamiento génico transgeneracional mediado por ARN" . Opinión Actual en Genética y Desarrollo . 20 (2): 156-163. doi : 10.1016 / j.gde.2010.01.008 . PMC 2859986 . PMID 20153628 .  
  8. ^ Meyer, Peter; Heidmann, Iris; Niedenhof, Ingrid (1 de julio de 1993). "Las diferencias en la metilación del ADN están asociadas con un fenómeno de paramutación en la petunia transgénica" . The Plant Journal . 4 (1): 89–100. doi : 10.1046 / j.1365-313X.1993.04010089.x . ISSN 1365-313X . PMID 8220478 .  
  9. ^ a b Sapetschnig, Alexandra; Sarkies, Peter; Lehrbach, Nicolas J .; Miska, Eric A. (26 de marzo de 2015). "SiRNA terciario median la paramutación en C. elegans" . PLOS Genet . 11 (3): e1005078. doi : 10.1371 / journal.pgen.1005078 . ISSN 1553-7404 . PMC 4374809 . PMID 25811365 .   
  10. ^ Belele, Christiane L .; Sidorenko, Lyudmila; Stam, Maike; Bader, Rechien; Arteaga-Vázquez, Mario A .; Chandler, Vicki L. (17 de octubre de 2013). "Las repeticiones en tándem específicas son suficientes para el silenciamiento transgeneracional inducido por paramutaciones" . PLOS Genetics . 9 (10): e1003773. doi : 10.1371 / journal.pgen.1003773 . ISSN 1553-7404 . PMC 3798267 . PMID 24146624 .   
  11. ^ Rassoulzadegan, Minoo; Cuzin, François (1 de agosto de 2015). "De la paramutación a la enfermedad humana: herencia mediada por ARN". Seminarios en Biología Celular y del Desarrollo . Factores de paramutación y transcripción de Pax. 44 : 47–50. doi : 10.1016 / j.semcdb.2015.08.007 . PMID 26335266 .