Negli eucarioti, per la maggior parte dei geni, entrambe le copie sono espresse dalla cellula, ma una piccola classe di geni è espressa

Transcript

1 Epigenetica ed espressione genica monoallelica

2 Negli eucarioti, per la maggior parte dei geni, entrambe le copie sono espresse dalla cellula, ma una piccola classe di geni è espressa monoallelicamente, cioè la trascrizione avviene di preferenza a partire di un singolo alle in ciascuna cellula. Nella maggior parte dei casi di espressione genica monoallelica, le cellule scelgono a caso un allele da cui trascrivere un mrna e produrre una proteina. Il fenomeno è tipico delle cellule del sistema immunitario e dei neuroni olfattivi. Nell imprinting genomico la selezione dell allele attivo non è casuale e si basa sul genitore da cui è ereditato l allele.

3 Gene Cromosoma Selezione dell allele Geni sottoposti ad imprinting Autosomico Non casuale Geni dell X inattivato X Casuale Geni dell immunoglobuline Geni del recettore delle cellule T Geni dei recettori delle cellule natural killer Gene dell interleuchina 2 Autosomico Autosomico Autosomico Autosomico Casuale Casuale Casuale Casuale Espressione monoallelica dei geni di mammiferi

4 Marcatori epigenetici La ricerca epigenetica si occupa principalmente dello studio dei cambiamenti dell espressione genica ereditabili attraverso la mitosi e/o la meiosi senza che si verifichino cambiamenti della sequenza del DNA. La maggior parte dei processi di differenziamento cellulare è iniziata o mantenuta da processi epigenetici. La modificazione della struttura della cromatina è un esempio di caratteristica epigenetica. Il tipo principale di modificazione del DNA è la metilazione della citosina. Gli schemi di metilazione del DNA sono i marcatori epigenetici più studiati. Altra meccanismo di regolazione epigenetica: modificazione degli istoni.

5 Un gruppo metilico è trasferito da S-adenosilmetionina al carbonio 5 della citosina da una famiglia di citosina metitransferasi. Nei mammiferi, la metilazione del DNA avviene quasi esclusivamente a livello del dinucleotide CG (o CpG). La metilazione è un modo di marcare i geni per il silenziamento. La maggior parte delle 5-metilcitosine presenti nel genoma si trovano all interno di retrotrasposoni o di altre sequenze ripetitive. Normalmente il 70-80% circa di tutti i dinucleotidi CG presenti nel genoma dei mammiferi è metilato. I restanti dinucleotidi CG si trovano in gruppi noti come isole CpG vicini all estremità 5 dei geni e sono protetti dalla metilazione. Metilazione delle citosine

6 Eredità degli stati di metilazione

7 Induzione dell espresssione del gene BNIP3 (BCL2/adenovirus E1B interacting protein 3) mediante trattamento con 5-aza-dC.

8 Le isole CpG sono protette dalla metilazione e dalla Deaminazione.

9 Le isole CpG sono piccole regioni di DNA ricche di CG, lunghe 1-2 kb. Nel genoma umano sono sparse isole CpG associate con i promotori del 40-50% dei geni housekeeping. Le C nelle isole CpG non sono metilate e quindi sono protette dalla deaminazione spontanea della 5-metil citosina a timina. Ci sono alcune eccezioni alla protezione dalla metilazione delle C delle isole CpG: le isole associate a geni importanti, a geni soggetti ad inattivazione del cromosoma X ed ad elementi trasponibili. Le isole CpG

10 Le modificazioni degli istoni acetilazione e metilazione importanti per la regolazione della trascrizione molte modificazioni sono mantenute stabilmente durante la divisione cellulare. In genere l ipoacetilazione e l ipermetilazione degli istoni sono caratteristiche di sequenze di DNA che sono metilate ed inattive nelle cellule normali. Mantenimento stabile delle modificazioni degli istoni

11 Caratteristiche epigenetiche del cancro: ipermetilazione delle isole CpG ed ipometilazione di tutto il genoma silenziamento di geni oncosoppressori ed attivazione di oncogèni. L effetto principale dell ipometilazione, che avviene soprattutto in sequenze ripetute del DNA, è l instabilità cromosomica. La demetilazione di tutto il genoma sembra progredire con l età, ma è stata collegata anche alla scarsa nutrizione (mancanza di acido folico nella dieta). Nel cancro è stata riscontrata anche un iperacetilazione degli istoni, firma del cancro (istone H4 monoacetilazione di Lys 16, trimetilazione di Lys 20 ).

12 L imprinting genomico influenza una piccola serie di geni e porta all espressione di quei geni provenienti soltanto da uno dei due cromosomi ereditati dai genitori. Dovuto ad istruzioni epigenetiche depositate nelle cellule germinali dei genitori. Metilazione differenziale dei due alleli del gene sottoposto ad imprinting. L imprinting è caratteristico dei mammiferi (non in altri vertebrati) 80 geni diversi sottoposti a imprinting nei mammiferi. Questi geni hanno un ruolo nello sviluppo si conoscono alcune malattie gentiche in cui è coinvolta la perdita dell imprinting. In genere, i geni sottoposti ad imprinting sono organizzati a gruppi nel genoma. L imprinting genomico

13 I gruppi di geni sottoposti ad imprinting sono regolati in modo coordinato dalla metilazione del DNA di grandi regioni intergeniche specifiche Regioni di Controllo dell Imprinting (ICR). Queste regioni sono ricche di CG e molte sono vere e proprie isole CpG. Gli alleli silenti dei loci sottoposti ad imprinting sono marcati per la metilazione su C durante la gametogenesi. Nelle cellule germinali primordiali della linea germinale la marcatura della metilazione è cancellata. I geni sottoposti ad imprinting acquisiscono successivamente le marcature diverse nell uovo e nello spermatozoo. L imprinting genomico

14

15 Per la normale embriogenesi è essenziale il macchinario della regolazione epigenetica. Topi knock-out per la DNA metiltransferasi e i modificatori degli istoni muoiono durante la vita embrionale. Le regioni del genoma sottoposte ad imprinting sono associate a numerosi disordini dello sviluppo per regolazione difettosa, alterato dosaggio o mutazioni di questi domini. Interruzione di molti geni disordini multipli. Imprinting genomico e sviluppo

16 Tre meccanismi principali che assicurano l espressione monoallelica: (1) alterazione della struttura della cromatina a livello del promotore del gene; (2) espressione differenziale di un RNA antisenso; (3) blocco di un enhancer da parte di un isolatore. Espressione monoallelica

17 +metil-lys 9 H3 Cromosoma 17 +acetil-h3 + metil-h3-h4 Cromosoma 7

18 L eredità epigenetica è associata a numerose malattie umane: sindrome di Silver-Russell (nanismo asimmetrico); sindrome di Prader-Willi (PWS); sindrome di Angelman (AS) (sindrome del pupazzo felice); retinoblastoma; sindrome di Beckwith-Wiedemann (difetto congenito di espressione biallelica di Igf2) inibizione dell apoptosi e stimolazione della proliferazione cellulare. La perdita dell imprinting di Igf2 si verifica in molte neoplasie maligne umane (in 30% dei carcinomi del colon-retto).

19 Descritta nel 1961 da Mary Lyon. Studio della variegatura del colore del mantello dei topi. Silenziamento di un intero cromosoma X per bilanciare il dosaggio trascrizionale tra le femmine XX ed i maschi XY. Gatti calico. Inattivazione del cromosoma X

20

21 Inizio e mantenimento stabile dell inattivazione del cromosoma X

22 Profilo di inattivazione del cromosoma X umano