Elena Martínez¹ y Arturo Hernández^1,2

¹Center for Molecular Medicine, Maine Medical Center Research Institute, Maine Medical Center, Maine, USA

² Graduate School of Biomedical Science and Engineering, University of Maine, Maine, USA

Los síndromes de Temple y de Kagami-Ogata, aunque diferentes, son dos caras de una misma moneda: la disomía uniparental del cromosoma 14. Aunque la sintomatología es variable, los pacientes con estos síndromes pueden presentar crecimiento intrauterino reducido, bajo peso al nacer, dificultades para mamar, crecimiento retardado y corta estatura, hidrocéfalo, múltiples alteraciones en la morfología del cráneo, pies y manos pequeños, retraso mental leve o moderado,  obesidad central y defectos esqueléticos en la cavidad torácica (Cotter, 1997; Buiting, 2008).

La disomía uniparental del cromosoma 14 refleja el hecho de haber heredado del mismo progenitor las dos copias de dicho cromosoma. En ausencia de mutaciones genéticas, esta situación no tendría consecuencias patológicas significativas. Sin embargo, sí las hay si el cromosoma en cuestión contiene regiones objeto de “impronta genómica” (“Genomic imprinting”), un fenómeno epigenético que, en su sentido más estricto y original, se refiere a genes que se expresan solamente desde uno de los alelos, dependiendo de si dicho alelo ha sido heredado del padre o de la madre (Reik, 2001). La impronta genómica afecta a un número muy minoritario de genes (~1-2% del total), y es el resultado de marcas epigenéticas en las células germinales que son específicas de sexo del progenitor y que son interpretadas por la maquinaria nuclear de las células del feto como una señal de expresar o reprimir el gen en cuestión. Como consecuencia, los genes sujetos a este fenómeno se regulan de forma muy precisa, expresándose a un nivel que es aproximadamente la mitad de lo que se expresarían si fueran genes normales. La expresión alélica de los genes objetos a impronta genómica puede variar entre distintos tejidos, etapas del desarrollo o transcritos del mismo gen.

La supresión arbitraria de la expresión de una de las copias de un gen que codifica una proteína perfectamente funcional no tiene un claro sentido evolutivo. En este sentido, la imprenta genómica deja al organismo mucho más expuesto a las consecuencias de la pérdida de función de ese gen, en el caso de que la copia que sí se expresa adquiriera mutaciones que afecten a su función. Algunas teorías intentan explicar las razones de este fenómeno, aunque esa cuestión queda fuera del tema de esta reseña. Lo que está suficientemente demostrado es que las alteraciones en los mecanismos que regulan la impronta genómica tienen como resultado patrones de expresión anormales de los genes implicados, y conducen a estados patofisiológicos severos, siendo muy conocidos los síndromes de Angelman y de Prader-Willi.

El cromosoma 14 humano contiene una región (situada en la banda 14q32) objeto de impronta genómica. Esta región está bien conservada en mamíferos y es normalmente referida como el dominio de impronta genómica DLK1-DIO3, debido a los genes que marcan su límite centromérico y telomérico, respectivamente.

El patrón de expresión anormal de los genes contenidos en el dominio DLK1-DIO3 es, presumiblemente, la causa de los síndromes de Temple y de Kagami-Ogata. En la disomía maternal del cromosoma 14 (síndrome de Temple), los dos cromosomas 14 tienen las mismas instrucciones epigenéticas. Estas instrucciones conducen a ambos alelos a expresar los genes que normalmente se expresan sólo del alelo materno y a reprimir en ambos alelos los genes que normalmente están reprimidos sólo en alelo materno. Esta situación lleva a una sobreexpresión de los genes que se expresan del alelo materno, y a una represión completa de los genes que se expresan del alelo paterno. Exactamente la situación opuesta ocurre en el caso de disomía paternal del cromosoma  14 (síndrome de Kagami-Ogata).

En humanos, así como en ratones, la total o parcial disomía uniparental del cromosoma 14, o las mutaciones en regiones genómicas esenciales para la interpretación correcta de las marcas epigenéticas del dominio DLK1-DIO3, han sido asociadas a las patologías resumidas más arriba. Aunque estos síndromes se producen por la expresión anómala de los genes contenidos en el dominio DLK1-DIO3, existe poca información acerca de qué genes específicos juegan un papel en la generación de las patologías asociadas. La expresión alélica preferencial de los genes de dicho dominio está bien establecida en ratones. En humanos, esta información es más limitada, y se ha confirmado solamente para algunos genes.

En particular, existe poca información en humanos acerca de la expresión alélica de DIO3, un gen que codifica una enzima, la desyodasa 3, que inactiva las dos principales hormonas tiroideas, tiroxina y triiodotironina (Hernández, 2005). Estudios en ratones han mostrado que Dio3 se expresa muy preferentemente desde el alelo paterno (Charalambous, 2013). Sin embargo, ciertas áreas del cerebro y también la placenta muestran una relajación de la impronta genómica de este gen, ya que su expresión preferente del alelo paterno es más modesta en esos tejidos, en los que existe una expresión significativa desde el alelo materno (Lin, 2006; Martínez, 2014). En humanos, estudios en placenta han sugerido que DIO3 no está sujeto a impronta genómica y se expresa de forma bialélica (Kagami, 2012). Esto indicaría que la expresión anómala de DIO3 no contribuye a la generación de los síndromes de Temple y de Kagami-Ogata.  Sin embargo, dado que la placenta de ratón también muestra una relajación en la impronta genómica de Dio3, en contraste con la más estricta expresión monoalélica de Dio3 en el feto y otros tejidos, se hacían necesarios estudios en otros tejidos distintos de la placenta para determinar el nivel de expresión en humanos de cada alelo de DIO3.

Para responder esta pregunta, en nuestro reciente trabajo (Martínez, 2016) hemos utilizado tejido descartado en el proceso de circuncisión de recién nacidos y muestras de la mucosa bucal de uno o ambos padres. Aprovechando la presencia de polimorfismos de un solo nucleótido (SNPs) en la zona codificante de los genes DLK1 y DIO3, hemos determinado la expresión relativa cada uno de los alelos de dichos genes. Nuestros resultados muestran que tanto DLK1 (como ya se había descrito para otros tejidos) como DIO3 se expresan de forma muy preferente del alelo heredado del padre. También describimos que el análisis de una muestra de piel de un voluntario adulto indica que DIO3 se expresa preferentemente del alelo materno a esta edad y en ese tejido, probablemente debido a que un transcrito diferente de DIO3 es el más predominante en la piel adulta.

Nuestros resultados demuestran que DIO3 es objeto de impronta genómica en humanos, un fenómeno que podría ocurrir en muchos más tejidos durante el desarrollo. Por tanto, alteraciones en los niveles de expresión de DIO3 podrían contribuir a las patologías asociadas con los síndromes de Temple y Kagami-Ogata. Como la función de DIO3 es proteger al feto de una concentración de hormonas tiroideas excesivas para su desarrollo (como la que existe en la circulación materna), nuestro trabajo  implica que cambios en los niveles tisulares de esta hormona durante el desarrollo fetal podrían mediar la generación de dichos síndromes. Esto podría ocurrir a pesar de que los pacientes con esos síndromes no presentan alteraciones claras en las concentraciones de hormonas tiroideas en sangre, probablemente debido a la plasticidad en la maduración del eje tiroideo. Nuestro hallazgo ofrece una premisa para futuros trabajos en tejidos humanos que puedan ayudar a confirmar esta hipótesis.

Referencia

Martinez ME et al. Genomic imprinting of DIO3, a candidate gene for the syndrome associated with human uniparental disomy of chromosome 14. Eur J Hum Genet. 2016 Jun 22. doi: http://dx.doi.org/10.1038/ejhg.2016.66

Bibliografia

Buiting K et al. Clinical features of maternal uniparental disomy 14 in patients with an epimutation and a deletion of the imprinted DLK1/GTL2 gene cluster. Hum Mutat. 2008 Sep;29(9):1141-6. doi: 10.1002/humu.20771.

Charalambous M et al. Hernandez A. Genomic imprinting of the type 3 thyroid hormone deiodinase gene: regulation and developmental implications. Biochim Biophys Acta. 2013 Jul;1830(7):3946-55. doi: 10.1016/j.bbagen.2012.03.015. Epub 2012 Apr 4.

Cotter PD et al. Paternal uniparental disomy for chromosome 14: a case report and review. Am J Med Genet. 1997 May 2;70(1):74-9.

Hernandez A. Structure and function of the type 3 deiodinase gene. Thyroid. 2005 Aug;15(8):865-74. DOI: 10.1089/thy.2005.15.865

Kagami M et al. Paternal uniparental disomy 14 and related disorders: placental gene expression analyses and histological examinations. Epigenetics. 2012 Oct;7(10):1142-50. doi: 10.4161/epi.21937. Epub 2012 Aug 23.

Lin SP et al. Differential regulation of imprinting in the murine embryo and placenta by the Dlk1-Dio3 imprinting control region. Development. 2007 Jan;134(2):417-26. Epub 2006 Dec 13. DOI: 10.1242/dev.02726

Martinez ME et al. Genomic imprinting variations in the mouse type 3 deiodinase gene between tissues and brain regions. Mol Endocrinol. 2014 Nov;28(11):1875-86. doi: 10.1210/me.2014-1210. Epub 2014 Sep 18.

Reik W et Walter J. Genomic imprinting: parental influence on the genome. Nat Rev Genet. 2001 Jan;2(1):21-32. DOI: 10.1038/35047554