Epigenetica

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The enemy within

8 novembre 2011 in dendrite by Manuel | No comments

Il titolo non è mio, l’ho rubato da un editoriale pubblicato su Nature Medicine qualche tempo fa, mi piacerebbe illustrare bene l’argomento perchè è senz’altro interessante!
Attualmente, circa il 7-8% del nostro genoma è costituito da sequenze di chiara origine retrovirale. Credo sappiate tutti che cosa siano i retrovirus e che conosciate la loro importanza biologica, in ogni caso ho scritto qualche mese fa un articolo interamente dedicato a loro. La capacità di integrare sistematicamente il loro genoma (che da RNA viene retrotrascritto in DNA a doppio filamento) in quello della cellula ospite (grazie ad un ezima particolare chiamato Integrasi), con l’obiettivo di utilizzare i macchinari biosintetici della cellula per replicarsi, ha permesso che pezzi dei loro genomi rimanessero intrappolati negli ospiti e che venissero poi trasmessi di generazione in generazione. Non so se vi rendiate conto, ma l’8% di 3 miliardi di paia di basi (tant’è il nostro genoma) fa una discreta quantità di basi. Considerando poi che il DNA codificante nei mammiferi si aggira attorno al 1,5-2% c’è ben da rimanere meravigliati! Se è molto chiaro il meccanismo attraverso il quale si vengano a creare questi inserti, non è altrettanto chiaro il motivo per cui queste sequenze sono sopravvissute fino a noi, ma questo discorso si infila in una cornice più ampia che riguarda il significato biologico e funzionale di tutto il DNA non codificante, che rappresenta quindi il 98% del DNA umano, alla luce inoltre di numerosi studi che illustrano come nonostante questo DNA non contenga informazioni per sintetizzare proteine, venga comunque trascritto in RNA che costituiscono la cosiddetta materia oscura biologica (Dark Matter).
La struttura genomica di un retrovirus è abbastanza standard, nel virus il genoma è sottoforma di RNA a singolo filamento, ed è presente in doppia copia, quindi sono virus Diploidi. Una volta entrato nella cellula, grazie alla trascrittasi inversa ciascun filamento di RNA viene retrotrascritto in DNA a doppio filamento, ma il processo di retrotrascrizione, che ho descritto nel mio articolo apposito sui retrovirus, determina un’aggiunta di due sequenze terminali identiche chiamate LTR, Long Terminal Repeats. Queste sequenze terminali sono molto importanti, primo perchè determinano la successiva integrazione del genoma virale retrotrascritto (provirus) nel genoma della cellula ospite, grazie ad apposite sequenze riconosciute dall’integrasi, e secondo perchè contengono dei siti di legame per dei fattori di trascrizione cellulari, i fattori di trascrizione (di cui ho già parlato in altri articoli) sono delle proteine che, in genere sotto forma di dimeri, riconoscono sequenze apposite di DNA e favoriscono la trascrizione dei geni a valle di queste sequenze. Quindi le LTR fanno in modo che il genoma virale venga trascritto dagli stessi fattori di trascrizione e dalla stessa RNA polimerasi cellulare. Il problema è che queste LTR potrebbero in qualche modo favorire la trascrizione di geni cellulari oltre che virali, è un evento che per quanto raro non si può escludere. E’ come se si venisse a creare un modello sperimentale come quelli che solitamente i biologi costruiscono artificalmente, ovvero per fare esprimere un gene in un modello biologico (linea cellulare, animale) si associa questo gene ad un promotore cosiddetto forte, ovvero un promotore che è dimostrato funzioni bene in quel particolare modello, se voglio fare esprimere un gene in una linea cellulare epatica, di certo non andrò ad usare un promotore del gene della catena alfa dell’emoglobina perchè so già che è un gene silenziato negli epatociti e quindi non funzionerebbe, mentre protei usare un promotore di un gene che normalmente è espresso come quello della Piruvato chinasi (un enzima espresso in tutte le cellule dell’organismo in quanto indispensabile per la glicolisi). In questo caso abbiamo l’introduzione di un promotore virale, che per necessità dovrà essere un promotore forte, che potrebbe attivare la trascrizione di geni cellulari.
Normalmente tutte le sequenze retrovirali che sono fossilizzate nel nostro genoma non sono attive, anzi sono attivamente represse attraverso le metilazioni della citosina (un marcatore epigenetico che determina la totale inattività della sequenza). E’ possibile però che ci siano delle alterazioni nello stato della metilazione di alcune di queste sequenze e questo provocherebbe la riattivazione di queste LTR. Se queste LTR riattivate dovessero essere in prossimità di geni che favoriscono la proliferazione o sopravvivenza della cellula, i cosiddetti oncogeni, potremmo ritrovarci ad una possibile iniziazione tumorale, con una cellula potenzialmente senza controllo. Inoltre il concetto di prossimità a livello cromosomico è abbastanza relativo, ma proprio a proposito di questo volevo parlarvi di un articolo pubblicato sullo stesso numero dell’editroriale (per il quale l’editoriale è stato scritto), in cui dimostrano che in cellule di una determinata neoplasia, un Linfoma di Hodgkin, era attivata l’espressione in modo costitutivo di un gene, CSF1R (Colony Stimulating Factor 1 Receptor), la cui proteina è un recettore per un fattore di crescita CSF1 che normalmente è espresso a livello delle cellule staminali emopoietiche e che poi viene represso quando le cellule si differenziano nelle cellule del sangue. Infatti mentre le linee cellulari derivate dai campioni tumorali esprimevano sia il recettore che il ligando (In questo modo le cellule tumorali si autostimolano in un modo conosciuto come Loop Autocrino), le linee cellulari non tumorali no. Dimostrato il ruolo oncogenico di CSF1-CSF1R, i ricercatori hanno dimostrato (sequenziando il trascritto di CSF1R) che nel messaggero del gene era inclusa una porzione di 250bp che normalmente dovrebbe stare molto più a monte del gene stesso (6 Kilobasi), questa sequenza allineava con una sequenza retrovirale, che aveva perduto le metilazioni che la inattivavano e quindi aveva iniziato a stimolare l’espressione del gene in questione, e che evidentemente si fondeva con il trascritto per un evento di splicing alternativo.

Ovviamente ho fatto un riassunto molto stringato dell’articolo, consiglio a chi potesse di andarselo a leggere, darò le indicazioni nella bibliografia. In ogni caso credo sia chiaro che cosa significhi l’espressione the enemy within, e credo anche che bisognerebbe riflettere ulteriormente sul significato biologico di queste sequenze retrovirali fossilizzate nel nostro genoma.
Come ulteriore consiglio, suggerisco di leggere anche il mio vecchio articolo sui Virus (e retrovirus) oncogeni, che chiude il quadro della questione.

Se avete domande o qualsiasi altra cosa da dire usate i commenti! Alla prossima.

Mi sono basato su:

Lamprecht et al, “Derepression of an endogenous long terminal repeat activates the CSF1R proto-oncogene in human lymphoma”, Nature Medicine, May 2010;

Michael E Engel & Scott W Hiebert: The enemy within: dormant retroviruses awaken. Nature Medicine, May 2010;

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I geni Homeobox: perchè parlarne?

29 agosto 2011 in dendrite by Manuel | 2 comments

Ci sono domande che accompagnano l’uomo dall’inizio della sua storia, domande come: perchè il cielo è azzurro? perchè la terra è rotonda? l’universo è davvero infinito? e perchè abbiamo una testa, un torace, due braccia, due gambe, due mani e due piedi? Chiunque abbia un numero diverso di elementi rispetto a quelli scritti non si preoccupi, avrà una risposta!
Avrete notato senz’altro notato che ci potremmo virtualmente tagliare in due metà pressochè speculari tra loro, semplicemente seguendo un asse anteroposteriore: scopriremo che la maggiorparte del nostro organismo esterno e interno è simmetrico rispetto a questo asse (il fegato, ad esempio, sembra fare eccezione).
Come immagino sappiate, ciascuno di noi si è formato fisicamente con lo sviluppo embrionale, durante il quale, da una singola cellula chiamata zigote, si forma un organismo pluricellulare, dotato di organi e tessuti ben differenziati (morfogenesi e organogenesi).
Durante lo sviluppo embrionale non ci sono solo processi di crescita e proliferazione cellulare, ma processi di differenziamento istologico, morfogenesi e trasformazioni spaziali che portano appunto all’organogesi e alla determinazione dell’assetto del corpo lungo un asse antero-posteriore. la questione è complessa: ad esempio, tra un rene e l’altro, non ci sono differenze, sono pressochè identici. Questo significa che le cellule che hanno dato origine ai reni erano cellule identiche e che si sono disposte e strutturate in egual modo per dare origine all’organo; ma prendiamo ad esempio un braccio e una gamba, non ci sono differenze istologiche tra i due arti, ma ciò che cambia è la disposizione delle cellule. Ci deve essere qualcosa, oltre al processo di differenziamento, che determina l’assetto e la disposizione delle cellule e dei tessuti in un organo, in un arto, nell’organismo in generale.
Esise una famiglia di geni che è responsabile della determinazione spaziale del nostro corpo, e di quello degli altri organismi e della loro specificazione (ovvero formazione di due braccia, due cambe, una testa ecc..). Lo studio di questi geni è iniziato in un modello biologico molto famoso, ovvero il moscerino della frutta. Diverse mutazioni che non interrompevano lo sviluppo embrionale, avevano effetti sulla disposizione delle diverse componenti dell’insetto, ad esempio in una mutazione chiamata Antennapaedia, il povero moscerino si ritrovava due arti al posto delle antenne. Questo dimostrava come dei geni in particolare potessero avere un ruolo organizzativo durante lo sviluppo embrionale. Questi geni sono stati chiamati geni Omeotici o Homeobox in inglese, e sono accumunati dall’avere un dominio proteico di 60 amminoacidi molto conservato nell’evoluzione, l’Homeobox domain o l’omeodominio. Questo domnio è in grado di legare une specifica sequenza di DNA e di funzionare come fattore di trascrizione (Fattori di trascrizione e Promotori, un sistema chiave/serratura), attivando o reprimendo numerosi altri geni. Sono stati scoperti 8 geni Homeobox (Hox per gli amici) nel moscerino della frutta e 39 nei mammiferi. Questi geni non sono sparsi casualmente per il genoma, ma sono anzi raggruppati in Clusters (ovvero gruppi di geni ravvicinati) da A a D. Con la loro funzione i geni Hox controllano l’identità cellulare e la sua posizione lungo l’asse anteroposteriore dell’organismo. Il funzionamento di questi geni è strettamente regolato e questa regolazione è sia temporalmente che spazialmente determinata. Ad esempio i geni Hox collocati al 3′ di ciascun cluster (quindi quelli al fondo del cluster stesso) sono attivati sempre prima di quelli al 5′ (quindi quelli iniziali); oltre a questa distinzione temporale, c’è anche una distinzione spaziale: i geni collocati al 3′ sono attivati prima e in zone anteriori dell’embrione, mentre i geni collocati al 5′ sono attivati dopo e in zone posteriori. La distinzione spazio-temporale dell’attivazione è fondamentale per un corretto sviluppo dell’embrione.  Questa caratteristica viene chiamata Collinearità ed è essenzialmente dovuta a fattori epigenetici. L’epigenetica come ho già discusso, è quella serie di informazioni che provengono dalla modificazione covalente di DNA e Istoni. Gli istoni sono delle proteine essenzialmente basiche, che formano dei complessi chiamati nucleosomi attorno ai quali si avvolge la doppia elica. Il modo con cui il DNA si avvolge attorno ai nucleosomi dipende da numerosi fattori, quelli che ne aumentano l’adesione (e quindi provocano la cosiddetta condensazione della cromatina) fanno in modo di inibire l’espressione dei geni contenuti nella sequenza di DNA condensata, perchè più il DNA è condensato minore è la probabilità che  il complesso di trascrizione si leghi ai promotori dei geni e che questi vengano espressi. I fattori che invece diminuiscono lo stato di condensazione sono fattori che aumentano il livello di trascrizione per il motivo opposto. La capacità dei geni di essere espressi dipende dall’equilibrio tra fattori pro-condensazione (che silenziano)  e fattori anti-condensazione (che attivano), e il linguaggio che ha come alfabeto questi fattori prende il nome di epigenetica. La capacità dei geni Hox di essere espressi in maniera così finemente regolata è dovuta ad un attento switch epigenetico che vede decondensati prima i geni Hox al 3′ del cluster di appartenenza nelle zone anteriori dell’embrione, e successivamente i geni Hox al 5′ nelle zone posteriori. Il pattern di attivazione di questi geni Hox determina l’identità e la posizione delle cellule durante lo sviluppo embrionale.  Molto importante ad esempio è il pattern di espressione durante lo sviluppo dell’encefalo che porta alla formazione di un prosencefalo, di un mesencefalo e di un romboencefalo, tutte e tre le parti si dispongono lungo un asse longitudinale e durante questo sviluppo si verificano numerosi cambiamenti epigenetici a livello dei loci Hox nelle cellule staminali progenitirici fino ad arrivare alle cellule completamente differenziate. Questi marcatori epigenetici hanno anche un ruolo fondamentale nella memoria cellulare che fa sì che una cellula, quando si divide, trasmette alle cellule figlie lo stato della cromatina che possedeva precedentemente alla divisione, in modo che la cellula figlia assuma le stesse caratteristiche della cellula madre.
Possiamo infine immaginare cosa potrebbe succedere in caso di un’alterata espressione dei geni Hox durante l’embriogenesi. Le malformazioni degli arti inferiori e superiori, delle mani e dei piedi e delle rispettive dita sono spesso riconducibili ad alterazioni nel pattern di espressione dei geni Hox (ad esempio una mutazione nei geni appartenendti al Cluster HoxD sembrano essere correlate con malformazioni degli arti e nel tratto uro-genitale). Spesso l’esposizione del feto in via di sviluppo ad alcune sostenze (dette teratogene) porta alla comparsa di malformazioni, sembra che queste sostanze interferiscano non il funziamento dei geni Hox o delle relative proteine. Diversi tumori (soprattutto infantili), inoltre, sono stati associati ai geni Hox.
Una ultima considerazione. Come ho detto, i primi studi sulla capacità di organizzare la simmetria corporea sono stati fatti su un insetto, quindi un invertebrato. Da questo modello poi si è iniziato a studiare una serie di altri organismi, uomo compreso, dimostrando che questi geni omeotici sono presenti particamente in tutti gli animali e non solo (anche nelle piante ad esempio).  Questo significa che poichè in natura esistono forme di vita con piani di simmetria molto diversi: pensiamo ad un riccio di mare od a una stella marina e pensiamo a un topo, i primi due hanno una simmetria raggiata, un topo ha una simmetria bilaterale (come noi), ma non è solo questione di simmetrie, prendiamo ad esempio gli arti negli invertebrati passiamo da sei arti per gli insetti, a otto per gli aracnidi, mentre per i vertebrati abbiamo una minore variabilità (in genere quattro arti che possono essere successivamente modificati o perduti). E’ chiaro che per avere questa variabilità di simmetria e strutture corporee è stato necessario modificare l’attivazione dei geni Hox. Poichè esistono delle mutazioni inattivanti a livello di questi geni che rendono la struttura dell”organismo colpito più semplice rispetto all’originale, e qualche volta simile a eventuali antenati ancestrali, si potrebbe inferire che le acquisizioni corporee siano state ottenute aumentando di complessità il pool dei geni Hox (e questo potrebbe essere convalidato dall’evidenza che il numero dei cluster nei vertebrati segue quasi esattamente il numero di duplicazioni genomiche), ma questo pone un problema, se immaginiamo un modello di evoluzione a piccoli step andiamo incontro alla formazioni di veri e propri mostri che non saranno tollerati dalla selezione naturale. Io non sono un biologo evoluzionista, e non ho idea di cosa gli esperti pensino al riguardo. Spero di aver stimolato la vostra curiosità ed il vostro interesse per un argomento che è estremamente complicato e affascinante. Se avete domande siete invitati a farle, anche se non vi assicuro che sappia la risposta! Alla prossima.

Bibliografia:
“Embriologia” di Barbieri M e Carinci P.
Benjamin A. Barber, Mojgan Rastegar, “Epigenetic control of Hox genes during neurogenesis, development, and disease“;  Annals of Anatomy 192 (2010).
Micheal Akam, “Hox genes, homeosis and the evolution of segment identity: no need for hopeless monsters“; Int. J. Dev. Biol. 42 (1998)
Shigehiro Kuraku, “Hox Gene Clusters of Early Vertebrates: Do They Serve as Reliable Markers for Genome Evolution?” Genomics Proteomics Bioinformatics (2011)

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Fattori di trascrizione e Promotori, un sistema chiave/serratura

24 ottobre 2010 in lente di barlow by Manuel | 1 comment

Era decisamente ora che scrivessi qualcosa. Ammetto che scegliere l’argomento è stato quantomeno complicato. Da una parte c’era la famosa sperimentazione made in Italy di un vaccino contro l’HIV, dall’altra avevo in serbo alcuni argomenti di Biologia molecolare. Ovviamente ho scelto la Biologia Molecolare! E’ un argomento abbastanza vago e vasto, lo ammetto, però interessante.
I famosi Promotori. Famosi forse per chi li studia, ma un po’ meno noti per chi invece non è di questo campo.  I promotori sono delle sequenze di DNA non codificante che però hanno una funzione precisa: regolare la trascrizione dei geni che controllano. Di solito i promotori sono sequenze immediatamente a monte del TSS (transcription Start Site o Sito di Inizio della Trascrizione) del gene, mentre tutte le sequenze promotrici situate più distalmente (anche migliaia di basi) dal TSS sono chiamate enhancer.
Regolano la trascrizione e quindi l’espressione genica della cellula. In che modo dunque? Abbiamo detto che sono delle sequenze. Queste sequenze sono riconosciute e legate da particolari proteine chiamate fattori di trascrizione. In maniera un po’ semplicistica possiamo dire che questi fattori di trascrizione stabilizzano il legame della RNA polimerasi, che è l’enzima, o meglio il complesso enzimatico, che è responsabile della sintesi dell’RNA messaggero usando come stampo uno dei due filamenti del DNA.
I promotori sono sempre stati eccessivamente semplificati. Per numerose decadi si pensava fossero delle sequenze precise e ben conservate alle quali si davano nomi diversi, ad esempio la TATA box era una di queste sequenze (ricca in T ed in A) situata circa 30 paia di basi dal TSS. Questi tipi di promotori sono quelli che ora vengono chiamati Textbook Promoters, promotori da libro di testo, perchè sono il modello di promotore che ancora adesso, nei corsi di primo livello, vengono insegnati. Non è che non esistano. Esistono eccome, però sono soltanto una piccola parte di questo immenso mare di sequenze. Come al solito la situazione è sempre più complessa di quanto la si possa spiegare.
L’isolamento e l’identificazione dei promotori è tuttora una grande sfida. Quasi un anno fa è uscito un articolo, su Genome Research, che pubblicava i risultati di una lunga ricerca proprio in questo campo: “Direct isolation and identification of promoters in the human genome”. Qual’è stato il loro metodo? In pratica sono andati a cercare tutte quelle sequenze genomiche in  cui era presente il complesso della RNApolimerasi ancora inattiva (che doveva cioè ancora iniziare la trascrizione) usando un anticorpo diretto contro l’RNApolimerasi. L’anticorpo si lega alla RNApol che a sua volta è legata alla sua sequenza di DNA la quale viene poi identificata ed annotata. Questo metodo viene chiamata ChIP ovvero Chromatine immuno-precipitation (mi rendo conto che è un po’ riduttivo spiegata in questo modo; chi volesse spaerne di più chieda pure). L’esperimento è stato condotto in triplice copia, in modo da ottenere una media dei risultati. La stragrande maggioranza delle sequenze trovate localizza nelle vicinanze del TSS del gene o comunque in una regione di 2.5 Kb.
Non per tutte le sequenze è stato possibile trovare una evidenza bioinformatica. Per queste sequenze è stato condotto un test sperimentale associandole a dei geni la cui espressione può essere monitorata facilmente (geni reporter) ad esempio la GFP. In questo modo è stato possibile dimostrare che molte di queste sequenze erano degli effettivi promotori perchè permettevano l’espressione del gene reporter. Quelle sequenze che nemmeno in questo modo sono risultate essere dei promotori, molto probabilmente sono dei falsi positivi.
In questo modo sono stati identificati diversi promotori che prima non si conoscevano.
Dicevo poco fa che i promotori del modello TATAbox sono riduttivi. Qual’è quindi il nuovo modello di promotore che ha soppiantato quello vecchio? Nella stragrande maggioranza dei casi (una stima dell’82%) i promotori sono cosiddetti CG rich. Ovvero non hanno una sequenza definita, ma sono molto ricchi (statisticamente più della media) di CG e sono estremamente più variabili. Sono chiamati Broad spectrum promoters poichè al contrario dei promotori TATAbox non fanno partire la trascrizione da un TSS singolo. ovvero I geni che sono sotto questi promotori sono trascritti a partite da TSS diversi. Gli RNAmessaggeri derivanti avranno quindi un sito di inizio differente (il che non vuol dire necessariamente che la proteina codificante sarà poi diversa, perchè un conto è il Sito di Inizio della Tracrizione, un altro conto è il Sito di Inizio della Traduzione: tra i due c’è una regione chiamata 5′-UTR). Questo ha un suo senso. Nel post sull’evoluzione del concetto di gene che ho scritto qualche mese fa ho detto che attualmente si stima che la maggiorparte dei geni possono essere letti in maniera differente dando origine a prodotti diversi. Variare il sito di inizo è una delle vie per rendere possibile ciò.
Questi promotori possono anche essere bidirezionali, ovvero dare origine a trascritti a partire da entrambi i filamenti del DNA nelle due opposte direzioni.
Ora che abbiamo un’idea sulla complessità dei promotori, possiamo addentrarci sulla loro funzione.
Abbiamo detto che su questi promotori si legano delle proteine, i fattori di trascrizione. Ad oggi sono stati identificati circa 1400 diversi tipi di fattori di trascrizione, molti dei quali sono tessuto specifici. Hanno dei domini che legano sequenze di DNA. Legandosi a queste sequenze innescano un meccanismo di Reclutamento di altre proteine le quali attivamente modificano lo stato degli istoni attraverso acetilazioni/deacetilazioni, metilazioni/demetilazioni e altre modificazioni covalenti. La modificazione degli istoni rende possibile o impossibile alla RNApolimerasi di di legarsi al DNA regolandone lo stato di avvolgimento e superavvolgimento sugli Istoni.  Attraverso quindi modificazioni epigenetiche si rende possibile o meno l’espressione genica. Sono stati fatti dei lavori, uno in particolare molto bello, sul reclutamento di proteine modificatrici della cromatina a livello dei siti di legame di alcuni fattori di trascrizione, in particolare il recettore per gli estrogeni. Attraverso studi di chromatine immune precipitation si è visto che nella maggiorparte dei casi il reclutamento segue dei cicli temporali predefiniti e discreti, e non è quindi un processo continuo.  C’è quindi anche un aspetto temporale e spaziale da definire. Questo rende la faccenda molto intrigante.
Concludo con una considerazione. I fattori di trascrizione regolano l’equilibrio vitale di una cellula. Ognuna delle cellule di un tessuto esprime un suo pattern di fattori di trascrizone, che non è detto che sia identico per ogni cellula di quel tessuto. C’è anche da tener conto dell’identità specifica di ogni cellula. Modificazioni dell’attività dei fattori di trascrizione possono portare allo svliluppo di neoplasie per motivi evidenti. E’ noto il ruolo dei fattori di trascrizione noti come recettori degli estrogeni nello sviluppo del cancro alla mammella. Il Tamoxifen è un farmaco storico che inibisce questi fattori di trascrizione ottenendo dei buoni risultati!

Con questo è tutto, alla prossima.

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Imprinting!

7 marzo 2010 in lente di barlow by Manuel | 6 comments

Nonostante il titolo, non dovreste lasciarvi ingannare oramai, perchè dovreste sapere dove vado a parare di solito. Questo non è un post di etologia, ma di biologia molecolare e genetica.
Fino a qualche anno da si riteneva che in un organismo le due metà del patrimonio genetico derivanti dai due genitori contribuissero egualmente, ma si è scoperto che non è così. Per un gruppo di geni fare parte della linea materna o paterna è di fondamentale importanza per la sua futura attività.
L’imprinting è un termine che comunque è stato mutuato dall’etologia e indica proprio questo aspetto: un piccolo insieme di geni sono espressi esclusivamente dalla linea materna o dalla linea paterna e mai dall’altra. Non è incredibile? Questo fenomeno non è casuale, nel senso che geni che hanno un imprinting materno (che sono cioè espressi soltanto dall’allele di derivazione materna) conservano lo stesso imprinting in tutti gli organismi della stessa specie e probabilmente anche nelle specie affini. Molti dei geni “imprinted” nell’uomo, ad esempio, hanno lo stesso imprinting anche nel topo! In generale il fenomeno dell’imprintig è abbastanza conservato in tutti i mammiferi, ma è stato osservato ovunque negli eucarioti.
Non so se riusciate a comprendere la portata del fenomeno. Come diavolo possono essere distinti i geni in base linea parentale di appartenenza? Come è possibile che sempre lo stesso allele venga espresso? Sembra ovvio che non può essere questione di diversità di sequenza, perchè gli alleli sono in teoria identici.
Quindi ci deve essere qualcos’altro all’origine di questo strano fenomeno che viene trasmesso di generazione in generazione. Ci deve essere un modo per marcare il DNA in modo da poter identificare i geni in questione e soprattutto questa marcatura deve essere trasmessa di generazione in generazione.
A questo punto devo introdurre un concetto abbastanza complicato e che se anche all’inizio sembrerà che non c’entri nulla con quanto ho appena detto, in realtà è un passaggio fondamentale.
Tutti conosciamo il codice genetico, ma pochi conoscono il codice epigenetico. Il termine epigenetica indica un insieme di fenomeni che in qualche modo “stanno sopra” la genetica. Cosa vuol dire stare sopra? Non che sia più importante, ma soltanto che mentre il codice genetico si basa sulle sequenze nucleotidiche, le quali codificano informazioni ben precise come ben sappiamo, il codice epigenetico è un codice che non si basa sulle sequenze ma su altri elementi che adesso in breve spiegherò.
Questi elementi possono essere a carico del DNA stesso, come la metilazione (aggiunta di un gruppo -CH3) su entrambi i filamenti delle citosine in contesto CG; oppure possono essere a carico di una famiglia di proteine che interagiscono direttamente e fisicamente con il DNA e influenzano in modo determinante la trascrizione ed altri processi: gli istoni.
Cerco di spiegarmi meglio; il codice epigenetico è una sorta di linguaggio (come il codice genetico) e porta informazioni ben precise e fondamentali per lo sviluppo e la corretta funzione di una cellula. Questo linguaggio è costituito da un “alafabeto” che consiste principalmente in metilazione delle citosine in 5-metil-citosina quando le C sono precedute e/o seguite da una G. Questa metilazione avviene su entrambi i filamenti ad opera di una famiglia di enzimi chiamati DNMT (DNA-metil-transferasi). La metilazione sembra una modificazione insignificante, ma in realtà influenza pesantemente la struttura e la funzione del DNA.Diverse proteine si legano alle sequenze metilate e fanno in modo che il DNA assuma una conformazione densa e compatta e pressochè inattiva (eterocromatina). La metilazione non è l’unico elemento epigenetico, ma è l’unico ad interessare direttamente il DNA. Le altre modificazioni interessano delle proteine che sono strettamente associate al DNA gli istoni. Gli istoni sono le proteine che più frequentemente troviamo associate al DNA, il quale si avvolge letteralmente sopra. A seconda di come sono modificati gli istoni, il DNA può essere rilassato e attivo, oppure compatto ed inattivo. Però cosa si intende per compatto e per rilassato? Il DNA è approssimativamente un filo, quando è ripiegato tante volte su se stesso ed associato molto strettamente agli istoni allora è compatto; quando si trova in questo stato il DNA è inattivo perchè le proteine che sono necessarie alla trascrizione non riescono a legarsi all DNA stesso. Se invece il DNA è lineare è attivo perchè non ci sono ostacoli alla trascrizione.
Concentriamoci sulla metilazione delle citosine. Questa è l’unica modificazione che viene trasmessa e mantenuta da una cellula all’altra durante la divisione, ed è la responsabile della memoria cellulare! Cosa vuol dire? Vi siete mai chiesti come faccia una cellula già differenziata rimanere tale dopo la divisione cellulare? Come fa una cellula a sapere da che cellula deriva? Ricordatevi che una cellula quando si divide, replica e condensa tutti i cromosomi e li divide equamente tra le cellule figlie; queste ultime, una volta separate, decondensano i cromosomi e pertanto potrebbero in teoria decondensare ed attivare anche regioni che normalmente non dovrebbero essere attive in una cellula di quel tipo e diventare altre cellule. Come fanno a sapere cosa attivare e cosa no? Ok, mi direte voi, dal contesto e dal tessuto in cui si trova (se si trova in mezzo a epatociti diventerà epatocita); non è errata come risposta, ma non è sufficiente. E’ la metilazione che guida la memoria cellulare. Regioni metilate ed inattive nella cellula madre, saranno tenute metilate anche nelle cellule figlie, ad opera delle DNMT. Una cellula replica il suo DNA in maniera semiconservativa, pertanto le due copie di DNA che si formano avranno un filamento “vecchio” della cellula madre ed il complementare è invece appena sintetizzato. Pertanto le cellule figlie avranno soltanto un filamento di DNA che continua ad essere metilato,  quello della madre, mentre il complementare no! le DNMT riconoscono lecitosine in contesto CG metilate solo su un filamento e le metilano anche nel filamento complementare, mantenendo così intantta la meoria cellulare. Interessante non è vero???
Ok, spero di non avervi confuso le idee con questa digressione. Spero non abbiate perso il punto principale, ovvero l’imprinting. Ci eravamo chiesti quale “marcatura” potesse essere in grado di differenziare un allele dall’altro e che fosse in grado di trasmettersi lungo le generazioni. Come avrete già capito, questa marcatura è proprio la metilazione delle citosine. A questo punto si apre un problema. E’ noto che durante lo sviluppo embrionale sono le cellule staminali embrionali che danno origine all’individuo. Le cellule staminali embrionali (CSE) sono dedifferenziate e possono dare origine a qualsiasi cellula. Questo è possibile perchè il DNA dello zigote non appena c’è stata la fecondazione va incontro ad un ampio riarrangiamento e viene praticamente “demetilato” per cancellare la memoria cellulare e dare origine alle CSE. A questo seguirà una ondata di metilazione “de novo” che permetterà alle cellule di differenziarsi man mano che procede lo sviluppo. Non si conoscono ancora bene i meccanismi di questa nuova ondata di metilazione, però sta di fatto che se le metilazioni originali vanno perdute, come si fa a ristabilire l’imprinting nel modo corretto? Questo è possibile perchè non tutte le metilazioni vanno perdute, e tra le metilazioni che rimangono, ci sono quelle che regolano l’imprinting e pertanto questo viene conservato durante le generazioni.
Ora che abbiamo capito la logica che ci sta dietro, vediamo come sono regolati questi “imprinted genes”.  E’ stato notato che c’è una regione di DNA che può anche essere condivisa da più geni che può essere metilata o non metilata. Questa regione che può anche essere molto lunga è chiamata ICR (imprinted control region). E’ questa regione che è differentemente marcata tra le due linee parentali. Se è metilata su una linea non è metilata nell’altra. Solitamente le regioni metilate sono inattive, quindi la ICR metilata sarà un segnale di silenziamento genico.  Il discorso è però più complicato, perchè esistono due tipi di ICRs, ma non mi sembra il caso di addentrarmi ulteriormente.. mi sembra di aver messo già troppa carne al fuoco.

Spero di essere stato chiaro e non confusionario. spero di aver reso l’idea di quello che volevo dire! Se avete domande ovviamente siete caldissimamente invitate a farle. Così pure se volete semplicemente commentare o criticare!

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