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Metilación del ADN en posiciones individuales del genoma humano dentro de contextos epigenéticos regionales

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Peinado Morales, Miguel Á. (Miguel Ángel)

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Universitat de Barcelona. Departament de Genètica

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[spa]  La metilación del ADN es una de las modificaciones epigenéticas más estudiadas y cuyo mecanismo de acción es más conocido. Consiste en la transferencia enzimática de un grupo metilo a la posición 5' de la citosina. Resulta la principal modificación epigenética en mamíferos, donde se encuentra restringida principalmente a la citosina del dinucleótido CpG, y está relacionada con el silenciamiento transcripcional. Tiene un papel clave en la regulación epigenética y por tanto, su análisis es de gran interés para entender procesos biológicos tan importantes como la replicación del DNA, la expresión génica, la diferenciación celular o las bases moleculares de muchas enfermedades, incluyendo el cáncer. Por este motivo, se han desarrollado numerosas técnicas para el estudio de la metilación del ADN, tanto a nivel regional como global y genómico. No obstante, el análisis masivo del genoma humano presenta un alto coste y dificultad, por lo que la mayoría de estudios a escala genómica utilizan diseños que reducen la complejidad del análisis. Para ello, se analiza únicamente una pequeña porción de las regiones genómicas de interés, una o unas pocas CpGs, y se extrapolan los resultados. Con la aparición de los primeros datos de células humanas obtenidos mediante Whole Genome Bisulfite Sequencing es posible evaluar la exactitud de los diferentes abordajes de complejidad reducida. En el presente trabajo se ha determinado la concordancia entre la metilación de las dianas HpaII y las islas CpG que las contienen. Para ello, se han utilizado datos públicos de dos estudios WGBS de muestras humanas. La diana HpaII se ha seleccionado dada su presencia en el 94% de las islas CpG del genoma. No en vano, la diana de restricción de HpaII (CCGG) es la más utilizada en estudios de metilación del ADN. Nuestros análisis muestran que la metilación de aquellas dianas HpaII que están dentro de islas CpG, resultan excelentes indicadores de la metilación global de las islas. Las dianas HpaII tienen un alto valor predictivo a nivel cualitativo asignando correctamente a la isla CpG como metilada o desmetilada con un alto porcentaje de acierto. Además, cuando las islas CpG disponían de dos o más dianas HpaII las predicciones resultaban extremadamente exactas para el valor de metilación de la isla. Estos resultados proporcionan una validación global de las estrategias basadas en el uso de la enzima de restricción sensible a metilación HpaII. Esta validación puede extenderse a otras aproximaciones de reducción de la complejidad similares. Su principal ventaja radica en la drástica reducción de costes, tanto del trabajo experimental como del análisis computacional. A pesar de la alta homogeneidad existente en la metilación de las islas CpG existen otros escenarios donde no es raro observar diferencias de metilación importantes entre dos CpGs próximas. La disponibilidad de un creciente número de metilomas ha permitido identificar un conjunto de zonas con patrones de metilación diferenciales, DMRs. Estas regiones se han encontrado asociadas a cambios observados en la expresión génica entre estos tipos celulares. En el presente trabajo se han analizado posiciones individuales con una metilación discordante respecto a su entorno. Se han evaluado aquellas que se mantienen desmetiladas cuando su entorno está totalmente metilado. Dada la metilación general del genoma, estos patrones representan anomalías que difícilmente puedan ser azarosas. Así, se han encontrado secuencias anómalas que presentan características asociadas a zonas de alta actividad transcripcional y pueden representar puntos de regulación génica. Además, algunas de ellas se sitúan cerca de genes importantes en la regulación de enfermedades, como el cáncer. Aunque aún son necesarias validaciones experimentales, aproximaciones in silico como la aquí presentada permiten encontrar posiciones de discordancia epigenética que pueden representar dominios funcionales putativos.

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[eng]   	
DNA methylation consists in the enzymatic transference of a methyl group to the 5’ position of a cytosine. In humans, it mostly occurs in the CpG dinucleotide. It is related to transcriptional silencing and it has a key role in biological processes such as DNA replication, genetic expression or the molecular basis of a lot of diseases, including cancer. For these reasons, many techniques have been developed to analyze it. However, the whole genomic determination of this epigenetic mark results in difficult and expensive analysis. To circumvent this issue, many techniques use a few positions and extrapolate the results. However, no global validation of this hypothesis has been performed. We have determined the correlation between the methylation of HpaII restriction sites and the CpG islands that contain them. We have used Whole Genome Bisulfite Sequencing data from human samples. Our results show that the methylation of the HpaII sites within CpG islands are excellent reporters of the global CpG island methylation, at both the quantitative and qualitative level. The prediction values were improved when the island contained more than one HpaII site. Our results represent a global validation for methylation analysis techniques based on the use of HpaII restriction enzyme. Although the high observed homogeneity in DNA methylation, there are some scenarios where it is not uncommon to observe important methylation differences between two close CpG positions. Many of these regions have been found to be associated to differences in gene expression among different cell types. We have analyzed individual positions with a discordant methylation compared to its closest neighbor CpGs. Using them as indicators, we have found sequences that have characteristics associated to high transcriptional activity and they can represent genetic regulation points. Some of them are close to important disease-associated genes. These positions can represent putative functional domains.

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Tesis Doctorals - Departament - Genètica

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Metilación del ADN en posiciones individuales del genoma humano dentro de contextos epigenéticos regionales