EPIGENETICA

Enciclopedia Italiana - IX Appendice (2015)

EPIGENETICA

Andrea Levi

Meccanismi trascrizionali alla base delle caratteristiche epigenetiche. Meccanismi epigenetici e malattie. iPSC: un esempio di riprogrammazione epigenetica. Ereditarietà di programmi epigenetici acquisiti. Epigenomica: una frontiera della moderna biologia. Bibliografia

Il termine epigenetica è stato coniato nel 1942 dallo scienziato e filosofo inglese Conrad Hal Waddington (1905-1975), dalla fusione delle parole genetica (la branca della biologia che studia i geni e l’ereditarietà) ed epigenesi (la teoria secondo cui l’adulto si sviluppa a partire dall’embrione attraverso un processo graduale). Iniziando da una singola cellula fecondata totipotente l’organismo pluricellulare si differenzia, attraverso un processo geneticamente determinato, così che l’informazione codificata nella sequenza del DNA (DeoxyRibonucleic Acid) viene letta in maniera differente nei vari tipi cellulari. Tutte le cellule di un organismo pluricellulare hanno gli stessi geni, ma i vari tipi cellulari che compongono l’organismo adulto possono differire, anche in maniera consistente. Secondo una definizione comunemente usata l’e. studia i meccanismi che portano all’instaurarsi di un determinato fenotipo (l’insieme delle caratteristiche osservabili di una cellula e/o, in generale, di un organismo) senza che vi siano variazioni a livello della sequenza del DNA. Quindi, per dirla sinteticamente, l’e. si interessa a variazioni del fenotipo che avvengono in assenza di variazioni del genotipo. Il differenziamento è un processo graduale attraverso il quale le cellule dell’embrione perdono la loro totipotenza o pluripotenza e passano alla loro progenie un potenziale differenziativo sempre più limitato.

Si parla di meccanismi epigenetici anche nel caso di organismi unicellulari che, pur avendo la stessa sequenza del DNA, esprimono fenotipi distinti. Poiché le caratteristiche funzionali di una cellula dipendono in gran parte dal repertorio di geni espressi, ossia di sequenze del DNA trascritte in mRNA (RNA, RiboNucleic Acid, messaggero) e poi tradotte in proteine, correntemente per e. si intende lo studio dei meccanismi molecolari che portano all’instaurarsi di un programma di espressione genica che determina l’identità di una specifica cellula. Secondo questa definizione sono esclusi i programmi trascrizionali attiva ti in maniera transiente in risposta a uno stimolo esterno e che successivamente vengono spenti in assenza dello stimolo stesso. Non è, per es., e. la risposta trascrizionale a un agente infettivo che decade con la risoluzione dell’infezione. Al contrario, un processo viene considerato epigenetico se è stabile o comunque difficilmente reversibile. Le caratteristiche epigenetiche di una cellula che si divide sono trasmesse alla progenie. Si parla però di meccanismi epigenetici anche a proposito di neuroni, ossia cellule che non si dividono. Nel sistema nervoso meccanismi epigenetici sono implicati sia nella fisiologia, per es. nel caso del consolidamento di memorie, sia nelle patologie, per es. nel morbo di Alzheimer o in sindromi depressive. In questi casi si intende una modificazione duratura del repertorio dei geni espressi. Andando oltre la prospettiva trascrizionale, sono meccanismi epigenetici anche quelli che permettono la persistenza e la trasmissione di un fenotipo attraverso un cambio metastabile della conformazione di specifiche proteine dette prioni. Esempi di trasmissione di questo tipo sono relativamente comuni nel lievito, in cui i prioni giocano un ruolo importante in processi quali adesione tra cellule, resistenza a tossine e antibiotici, metabolismo e altri. Le condizioni ambientali influiscono sui meccanismi con cui una proteina assume una certa conformazione, quindi i prioni possono mediare variazioni di fenotipo influenzate dall’ambiente e per questo rappresentare una modalità di trasmissione dell’informazione di tipo lamarckiano con cui l’organismo si adatta all’ambiente. Recentemente è stato dimostrato che i prioni possono essere alla base di una collaborazione metabolica tra specie differenti che occupano la stessa nicchia ecologica (Jarosz, Brown, Walker et al. 2014). Nei mammiferi i prioni sono stati studiati principalmente quali causa di patologie come il kuru e la sindrome comunemente nota come la malattia della mucca pazza. Tuttavia esperimenti recenti dimostrano un loro ruolo nella formazione di memoria a lungo termine.

Meccanismi trascrizionali alla base delle caratteristiche epigenetiche. – Vi sono varie maniere in cui un programma di trascrizione può essere mantenuto in modo stabile e trasmissibile da una cellula alla sua discendenza. Il modo più semplice, generalmente utilizzato da procarioti, si basa su fattori di trascrizione compresi nel repertorio di geni che inducono l’espressione di sé stessi. Un fattore di trascrizione di questo tipo continua a promuovere la propria sintesi e, di conseguenza, l’intero repertorio dei suoi geni bersaglio, anche in assenza dello stimolo iniziale che lo ha indotto. A ogni divisione cellulare ciascuna cellula figlia erediterà un numero sufficiente di copie del fattore di trascrizione per continuare a mantenere attivo il programma trascrizionale. In cellule eucariotiche, soprattutto negli organismi pluricellulari in cui i fenotipi sono più complessi e diversificati, il controllo dell’espressione genica si basa principalmente su meccanismi che regolano il reclutamento della RNA-polimerasi sul DNA. All’interno del nucleo cellulare, la doppia elica di DNA è organizzata, grazie alla sua interazione con specifiche proteine e con RNA non codificante per proteine, in una struttura tridimensionale chiamata cromatina. La cromatina è una struttura plastica, più o meno compatta, e il suo grado di compattamento regola l’accessibilità della RNA-polimerasi al DNA. Modificazioni di specifiche basi del DNA o modificazioni post-traduzionali degli istoni, proteine che interagiscono direttamente con la doppia elica del DNA, alterano la conformazione della cromatina. Attualmente si conoscono 16 differenti modificazioni a carico degli istoni, che costituiscono il cosiddetto codice istonico (Jenuwein, Allis 2001), e almeno 4 differenti modificazioni covalenti del DNA: metilazioni, idrossimetilazioni, formilazioni e carbossilazioni di specifici residui di citosina. Si definiscono writers (scrittori), quegli enzimi che promuovono tali modificazioni, erasers (cancellatori), quelli che le rimuovono, e readers (lettori), quelle proteine che li legano e, in associazione con altre proteine e RNA, rendono più o meno accessibile il DNA. Non tutte queste modificazioni sono epigenetiche, alcune sono facilmente reversibili e controllano risposte transienti della cellula. Sono modificazioni epigenetiche solo quelle persistenti e che sono riprodotte a ogni ciclo di divisione cellulare. Piccoli RNA non codificanti lunghi tra i 20 e i 30 nucleotidi sono una nuova classe di regolatori della trascrizione. Questi RNA inibiscono la trascrizione agendo in complessi con specifiche proteine con cui legano sequenze di DNA o RNA a essi complementari. Quando si legano al DNA promuovono il compattamento della cromatina, quando si legano all’mRNA ne favoriscono la degradazione e/o ne inibiscono la traduzione in proteine.

Meccanismi epigenetici e malattie. – Un aspetto importante emerso negli ultimi anni è che molti dei substrati, cofattori e modulatori dell’attività dei writers e degli erasers sono piccole molecole endogene derivate dal metabolismo o assunte come componenti della dieta. Quindi alterazioni del metabolismo e dell’alimentazione possono avere conseguenze importanti e durature nella fisiologia degli organismi. È oggetto di vivace dibattito, per es., quanto una dieta sbilanciata contribuisca a malattie metaboliche qualiobesità e diabete attraverso meccanismi epigenetici. È stato proposto che l’effetto dell’esercizio fisico e di una dieta ipocalorica nel rallentare l’invecchiamento dipenda dall’attivazione di una specifica classe di de-acetilasi che agiscono su numerose proteine, tra cui gli istoni.

Negli ultimi anni, lo sviluppo di nuove tecnologie per il sequenziamento del DNA e lo sforzo coordinato di differenti consorzi, quale, per es., l’International cancer genome consortium (ICGC), hanno permesso di individuare lo spettro di mutazioni somatiche ricorrenti in vari tipi di tumori. È così risultato evidente che writers ed erasers di modificazioni epigenetiche sono tra i geni più frequentemente mutati, o la cui espressione è alterata, in numerose neoplasie. Si assume che geni ricorrentemente mutati in tumori diversi siano causa di induzione o progressione tumorale. È quindi assai probabile che alterazioni epigenetiche giochino un ruolo importante nella crescita tumorale. Questo dato ha due risvolti importanti: uno teorico e uno pratico. Dal punto di vista teorico suggerisce un meccanismo di azione attraverso cui metaboliti prodotti dalla dieta e la presenza di sostanze inquinanti possono contribuire all’instaurarsi delle neoplasie. In altre parole suggerisce come lo stile di vita possa influenzare la tumorigenesi. Dal punto di vista applicativo il coinvolgimento di meccanismi epigenetici nello sviluppo dei tumori individua nuovi possibili bersagli per un intervento farmacologico antitumorale. A differenza di mutazioni del DNA, che sono difficilmente riparabili, epimutazioni possono essere corrette agendo su writers ed erasers facendo tornare verso un fenotipo normale le cellule trasformate. Infine, se epimutazioni contribuiscono alla patogenesi di neoplasie e anche, come discusso precedentemente, di malattie quali obesità, diabete, depressione e morbo di Alzheimer, farmaci diretti contro componenti del sistema epigenetico potrebbero avere un amplissimo spettro di utilizzo.

iPSC: un esempio di riprogrammazione epigenetica. – Grande risonanza hanno avuto studi recenti in cui cellule differenziate sono state riprogrammate in cellule totipotenti, le cosiddette iPSC o induced Pluripotent Stem Cells (Sánchez Alvarado, Yamanaka 2014). Per questi studi Shinya Yamanaka e John B. Gurdon hanno ricevuto nel 2012 il premio Nobel per la fisiologia o la medicina. Ulteriori esperimenti hanno dimostrato la possibilità di transdifferenziamento, ossia di produrre una cellula differenziata a partire da una cellula con un fenotipo diverso. Al di là dell’interesse scientifico, questi studi rivestono grande importanza pratica per le possibili applicazioni in medicina. Vi sono due aspetti di particolare interesse. Il primo riguarda l’uso di iPSC per terapie cellulari: a partire da cellule somatiche del paziente, si producono iPSC da espandere e differenziare in vitro (dopo aver corretto eventuali difetti genici) per riparare organi danneggiati. Il secondo aspetto riguarda l’uso di iPSC (da individui sani o da individui affetti da patologie di origine genetica) per produrre modelli cellulari umani, utilizzabili in vitro per studi funzionali o farmacologici.

Ereditarietà di programmi epigenetici acquisiti. – La possibilità che fenotipi acquisiti da un organismo pluricellulare durante la sua esistenza possano essere trasmessi alle generazioni successive tramite meccanismi epigenetici è un argomento di grande rilevanza. L’ereditarietà di programmi epigenetici è un fenomeno osservato con frequenza nel regno vegetale. Non è un caso che il più famoso esponente della teoria dell’ereditarietà dei caratteri acquisiti, Jean-Baptiste de Lamarck, fosse un botanico. La trasmissione transgenerazionale di segnali epigenetici negli animali è stata documentata in alcuni organismi più semplici, quali i nematodi, ma l’idea che ciò possa avvenire anche nei mammiferi è ancora sub iudice.

Nei mammiferi le cellule germinali primordiali vengono definite e separate dalle cellule somatiche durante le prime fasi dello sviluppo embrionale. In coincidenza di questo evento le cellule germinali vanno incontro a una riprogrammazione caratterizzata dalla cancellazione di quasi tutti i marcatori epigenetici. Un’ulteriore fase di riprogrammazione avviene nell’ovulo fecondato prima dell’impianto e permette di restituire totipotenza allo zigote. Non è facile quindi immaginare come una modificazione epigenetica indotta dall’ambiente possa essere fissata nelle cellule germinali e poi passata alla generazione successiva. Diverso è il caso di un’influenza esercitata dall’ambiente durante la vita embrionale, infatti la fisiologia di un individuo può essere fortemente influenzata dalle condizioni nutrizionali affrontate durante lo sviluppo intrauterino. Si è osservata, per es., una maggiore intolleranza al glucosio in persone concepite durante la grande carestia nei Paesi Bassi alla fine della Seconda guerra mondiale. Un crescente numero di evidenze sperimentali suggerisce la possibilità di trasmissione di epimutazioni causate dall’ambiente allo sperma paterno (Rando 2012). Epimutazioni che avvengono nel grembo materno o negli spermatozoi costituiscono un’apparente trasmissione di caratteristiche acquisite. Tuttavia di recente è stato dimostrato che persino un comportamento appreso può essere passato alle generazioni successive (Dias, Ressler 2014). Questo suggerisce che una qualche forma di trasmissione lamarckiana sia possibile anche nei mammiferi.

Epigenomica: una frontiera della moderna biologia. – Per epigenomica si intende lo studio globale delle modificazioni epigenetiche, un’impresa particolarmente impegnativa se si considera che ogni individuo ha un solo genoma ma tanti epigenomi quanti sono i differenti tipi cellulari. L’epigenomica è un campo in rapida espansione che utilizza differenti approcci sperimentali, tutti basati sulla capacità delle nuove metodologie di sequenziamento. Con opportune tecniche si riesce a: identificare le sequenze di DNA legate da istoni con specifiche modificazioni epigenetiche; determinare le sequenze di DNA contenenti le modificazioni in citosina; avere informazioni sulla struttura tridimensionale della cromatina, individuando regioni distanti nella sequenza del DNA che sono avvicinate tra loro dai regolatori della cromatina; determinare il repertorio di RNA non codificante. Questo enorme insieme di dati viene confrontato con il profilo di espressione genica che si ottiene quantificando tutti gli RNA espressi, nel tentativo di mettere in relazione fenotipo ed epigenotipo.

Bibliografia: T. Jenuwein, C.D. Allis, Translating the histone code, «Science», 2001, 293, 5532, pp. 1074-79; O.J. Rando, Daddy issues: paternal effects on phenotype, «Cell», 2012, 151, 4, pp. 702-08; B.G. Dias, K.J. Ressler, Parental olfactory experience influences behavior and neural structure in subsequent generations, «Nature neuroscience», 2014, 17, pp. 89-96; D.F. Jarosz, J.C.S. Brown, G.A. Walker et al., Cross-kingdom chemical communication drives a heritable, mutually beneficial prion-based transformation of metabolism, «Cell», 2014, 158, 8, pp. 1083-93; A. Sánchez Alvarado, S. Yamanaka, Rethinking differentiation: stem cells, regeneration, and plasticity, «Cell», 2014, 157, 1, pp. 110-19.

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Modificazioni post-traduzionali

Ciclo di divisione cellulare

Jean-baptiste de lamarck

Seconda guerra mondiale