Identification of Neuronal Enhancers of the
Proopiomelanocortin Gene by Transgenic Mouse Analysis and Phylogenetic
Footprinting
Molecular and Cellular Biology 2005. 25:
3076-3086.
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Flávio S. J.
de Souza,
Andrea M.
Santangelo,
Viviana
Bumaschny,
María Elena
Avale, |
Instituto de
Investigaciones en Ingeniería Genética y Biología Molecular, CONICET and
Departamento Fisiología, Biología Molecular y Celular, FCEyN,
Universidad de Buenos Aires, Buenos Aires, Argentina, |
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James L. Smart |
Vollum
Institute |
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Malcolm J. Low |
Vollum
Institute, Behavioral Neuroscience, Center for the
Study of Weight Regulation and Associated Disorders, Oregon Health &
Science University, Portland, Oregon |
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Marcelo
Rubinstein
responsable mrubins@adn.uba.ar
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Instituto de
Investigaciones en Ingeniería Genética y Biología Molecular, CONICET and
Departamento Fisiología, Biología Molecular y Celular, FCEyN,
Universidad de Buenos Aires, Buenos Aires, Argentina,Centro de Estudios
Científicos, Valdivia, Chile, Center for the Study of Weight Regulation
and Associated Disorders, Oregon Health & Science University, Portland,
Oregon |
The proopiomelanocortin (POMC) gene is expressed in the
pituitary and arcuate neurons of the hypothalamus. POMC arcuate
neurons play a central role in the control of energy
homeostasis, and rare loss-of-function mutations in POMC cause
obesity. Moreover, POMC is the prime candidate gene within a
highly significant quantitative trait locus on chromosome 2
associated with obesity traits in several human populations.
Here, we identify two phylogenetically conserved neuronal POMC
enhancers designated nPE1 (600 bp) and nPE2 (150 bp) located
approximately 10 to 12 kb upstream of mammalian POMC
transcriptional units. We show that mouse or human genomic
regions containing these enhancers are able to direct reporter
gene expression to POMC hypothalamic neurons, but not the
pituitary of transgenic mice. Conversely, deletion of nPE1 and
nPE2 in the context of the entire transcriptional unit of POMC
abolishes transgene expression in the hypothalamus without
affecting pituitary expression. Our results indicate that the
nPEs are necessary and sufficient for hypothalamic POMC
expression and that POMC expression in the brain and pituitary
is controlled by independent sets of enhancers. Our study advances
the understanding of the molecular nature of hypothalamic POMC
neurons and will be useful to determine whether polymorphisms
in POMC regulatory regions play a role in the predisposition
to obesity
Hace cuatro años, un grupo
de investigadores argentinos demostró cómo cuando la hormona leptina llega al
cerebro activa un grupo particular de neuronas que liberan unas sustancias
anorexígenas, llamadas melanocortinas, que producen saciedad.
Ahora, han puesto la lupa
sobre un momento específico del proceso: demostraron que para que esas
neuronas especializadas liberen la sustancia "antihambre" son necesarias dos
secuencias de ADN que actúan como activadoras o amplificadoras del gen que
codifica la producción de melanocortinas.
Cualquier alteración en
esas secuencias de ADN amplificadoras (enhancers, en inglés) modifica la
cadena de eventos que producen saciedad y podría explicar la predisposición a
la epidemia más prevalente de esta época: la obesidad.
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"Los activadores disparan un mecanismo que
activa el circuito de la saciedad. Cuando los animales no pueden regular
su ingesta, les es más difícil reproducirse y sobrevivir -dice el doctor
Rubinstein-. Un ratón excesivamente gordo que intenta sobrevivir escapando
de predadores seguramente no duraría mucho tiempo en el planeta."
Para pasar del modelo de análisis
bioinformático a la realidad funcional, los investigadores incorporaron en
ratones transgénicos la proteína (verde fluorescente) que actúa como un
gen "reportero" de la actividad del gen de POMC.
"Descubrimos que esos dos activadores
accionan el gen de POMC, algo que aún no se sabía. Este es quizás el
primer estudio que identifica activadores de un gen que se expresa en un
número limitado de neuronas cerebrales durante toda la vida", comenta.
La obesidad, entonces, ¿resulta de la falla
de esos activadores? "Probablemente en algunos casos -afirma el
especialista-. En todo el mundo, los científicos que poseen bancos de ADN
de familias de obesos no buscaban activadores porque no sabían dónde
hacerlo. Ahora, sí lo sabrán." |
El trabajo acaba de
aparecer en la edición on line de la revista Molecular and Cellular Biology,
"que tiene un capítulo dedicado a la expresión de genes, donde se editó
nuestro artículo", explica el doctor Marcelo Rubinstein, que dirige el
Laboratorio de Animales Transgénicos en el Instituto de Investigaciones en
Genética y Biología Molecular (Ingebi) y coordinó el estudio, realizado junto
a un grupo de becarios del Conicet integrado por Flavio de Souza, Andrea
Santángelo, Viviana Bumaschny y María Elena Avale.
"Combinamos el análisis
bioinformático de genomas de varias especies animales y experimentos
funcionales en ratones transgénicos", añade.
El estudio, que aparecerá
en la versión impresa de la revista a mediados de este mes, suma información a
lo demostrado en el artículo que Rubinstein y su grupo publicaron en mayo de
2001 en Nature: el ingreso de la leptina en el núcleo arcuato del hipotálamo
activa neuronas que expresan el gen de pro opio melanocortina (POMC).
Cuando esas neuronas son
estimuladas disparan una melanocortina anorexígena llamada alfa-MSH.
"Pero lo que no habíamos
podido responder es qué mecanismos moleculares controlan la activación del gen
de POMC para que a su vez liberaran melanocortinas saciatorias -dice el doctor
Rubinstein-. En este nuevo trabajo demostramos que relativamente lejos del gen
de POMC hay dos activadores que resultaron ser necesarios y suficientes para
que se exprese ese gen en el cerebro."
La acción de estos
activadores, señala, es "acelerar la producción de ARN mensajero, que luego se
traduce en los ribosomas y forma una proteína que da lugar a las
melanocortinas (ver infografía). Si algo falla, no se dispara el mecanismo
saciatorio que controla el cerebro y aumenta la ingesta de alimentos".
Los activadores hallados
por Rubinstein y su equipo fueron bautizados nPE1 y nPE2.
Ensayos bioinformáticos
"Se conocía que los genes
tienen activadores específicos -explica el investigador del Ingebi-, pero sólo
ahora se dispone de una tecnología especial, la bioinformática, que permite
predecir dónde están. A partir de la secuenciación de genomas enteros y
gracias a la bioinformática es posible establecer comparaciones entre el
genoma humano y el del resto de las especies disponibles. A través de una
técnica llamada "phylogenetic footprinting" o huellas digitales filogenéticas,
se puede realizar un estudio evolutivo comparativo. El explosivo desarrollo de
la bioinformática ha dado lugar a un tercer tipo de experimentos: ya no sólo
son in vitro o in vivo, sino también «in silico», porque aluden al silicio
presente en las computadoras."
Gracias a este método,
Rubinstein y su equipo estudiaron nada más y nada menos que las secuencias de
ADN vecinas al gen de POMC durante 450 millones de años de historia en la
evolución de vertebrados. Analizaron los genomas humano, de ratón, rata,
perro, vaca, rana y peces; al comparar los datos obtenidos hallaron que todos
los mamíferos, además de tener conservadas las secuencias del gen que
corresponden a las regiones codificantes, también presentaban regiones muy
conservadas, pero más alejadas del gen, que podrían ser los tan buscados
activadores.
Por Gabriela Navarra LA
NACION Abril 2005
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