Il Genoma a n Dimensioni: Regolazione e Funzione dell Organizzazione Nucleare

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1 Le nuove frontiere della biologia 2009: "L'epigenetica questa sconosciuta 18 marzo 2009 Il Genoma a n Dimensioni: Regolazione e Funzione dell Organizzazione Nucleare Beatrice Bodega e Valerio Orlando Dulbecco Telethon Institute IRCSS Fondazione Santa Lucia at EBRI - Roma

2 Epigenetica Conrad Waddington,1942: Epigenetica: epigenesi + genetica The branch of Biology which studies the causal interactions genes and their products, bringing the phenotype into being

3 Epigenesi Aristotele ( a.c.) The development of individual organic form from the unformed

4 Definizione corrente di Epigenetica S intende qualsiasi diversità fenotipica che non sia correlata a differenze genotipiche; in sintesi: tutto ciò che concerne meccanisimi di ereditarietà nei quali l informazione genetica non è limitata alla sequenza del DNA. I meccanismi epigenetici sono la base per comprendere la relazione tra organismo e ambiente e influenzano il modo con cui i geni vengono espressi Comprendere questi meccanismi rappresenta una delle frontiere della biologia

5 Dogma Centrale della Biologia DNA RNA PROTEINA Epigenetica

6 1 ggcggggcgc ggcgggggcg gcgctttgtg tgcagcagtg agccggggtc gggcggcggc atggaggagc tgagcagcgt gggcgagcag gtcttcgccg 121 ccgagtgcat cctgagcaag cggctccgca agggcaagct ggagtacctg gtcaagtggc 181 gcggctggtc ctccaaacac aacagctggg agccagaaga gaacattttg tgctcctagc cttccagaag aaggaacatg agaaggaggt tcagaaccgg aagagaggcaagagacccag gggcaggccg aggaaacaca cagtcacatc ctcctgcagc cggcgctcca 361 agctcaagga accagatgcg ccatccaaat ccaaatccag cagttcgtcc tcttcctcca 421 catcttcctc ctcttcctcg gacgaagagg aagacgacag cgacctagac tccaagaggcccccgggg ccgtgaaacc catccagtgc ctcagaaaaa agcccagatc ctggtagcca 541 agccagagct gaaggatccc attagaaaga aacggggacg caagcctcta cccccagaac 601 agaaggcagc tcggagaccc gtcagcctgg ccaaggtgct aaagaccacc aggaaggatc tggggacctc agccgccaag ctgccccctc cactcagcgc tccggtggca ggcctggctg ccctgaaggc ccacaccaaa gaggcctgtg gtggccccag cactatggcg accccagaga 781 acctggccag tctgatgaaa Sequenza ggcatggccg ggagccccag di DNA cagaggcggc atctggcaga 841 gctccatcgt acactacatg aaccgcatga gccagagtca ggttcaggct tggcactcaa ggcccaggcc accaacaagt gcggtctcgg gctagacctg aaagtgaggacgcagaaggg gggtgagcta ggggggagcc ccgcaggagg caaggtcccg aaggcccccg 1021 gtggcggagc tgcagagcag cagagaggga accattcggg gagcccaggt gctcagctggcacccactca ggagttgagc cttcaggtcc ttgacttgca aagcgtcaag aacggtgtgc ctggtgtggg cctgcttgct cgccatgccc cagccaaggc tattcctgct accaacccag 1201 ccacagggaa aggtcctggg agcggcccca caggagcaaa catgaccaac gctcccacag 1261 acaacaacaa aggggaaaag ctgacttgca aggcaacggc tctgcctgccagcgggacac cgttaaaagc gtcgctgcct ccggcgggca ggagggccac gagaaggccg aaagccacct gcgctgtctg agctgagcac gggagaggag aatagtagct 1441 ctgactcgga ccctgactcg acctcgcttc ccagtgctgc gcagaaccta tctgtagcta 1501 tccagaccag ccaggactgg aaacctaccc gcagtctcat cgaacacgtc tttgtcacgg 1561 atgtcacagc caacctcatc actgtcaccg tgaaggagtc gcccaccagc gtgggcttct tcaacttgag gcattattga

7 nelmezzodelcammindinostravitamiritrovaiperunaselvaoscurachéladirittaviaerasmarrita Nel mezzo del cammin di nostra vita mi ritrovai per una selva oscura, ché la diritta via era smarrita. Dante Alighieri La Divina Commedia

8 Usare gli origami per spiegare l epigenetica (N. Brockdorff, Oxford UK)

9 1 genoma n epigenomi Tutte le cellule di un organismo sono uguali perché hanno lo stesso genoma Tuttavia, differiscono l una dall altra perché hanno un epigenoma diverso Differenziamento Mantenimento Cellula staminale Plasticità Omeostasi

10 Epigenoma Organizzazione 2D dell informazione genetica Organizzazione 3D dell informazione genetica

11 Organizzazione e dimensione del genoma Doppia elica e codice genetico 2 nm Nucleosoma 11 nm Solenoide 30 nm Fibra di cromatina 300 nm Cromosoma 1400 nm

12 Organizzazione spaziale del genoma nel tempo Interfase 5 ore 7 ore Metafase 1 ora 3 ore

13 Organizzazione spaziale del genoma in interfase Topologia nucleare interfasica ed architettura genomica

14 Organizzazione spaziale del genoma in interfase Territori cromosomici

15 L architettura Nucleare influenza le Funzioni Nucleari Lanctot 2007, Nature

16 I Territori Cromosomici Occupano Posizioni Probabilistiche e non Assolute nel Nucleo L architettura genomica deve essere interpretata alla luce della sua natura dinamica (cioè la mobilità cromatinica) IN ALTRE PAROLE: L ESATTA LOCALIZZAZIONE SPAZIALE DI UNA PORZIONE GENOMICA POTREBBE NON ESSERE IMPORTANTE QUANTO IL TEMPO IN CUI RIMANE IN QUELLA POSIZIONE Lanctot 2007, Nature

17 Mobilità della Cromatina Locus genico 1 Locus genico 1 Compartimento di repressione trascrizionale Locus genico 2 Compartimento di attivazione trascrizionale Locus genico 2 Lanctot 2007, Nature

18 Mobilità della Cromatina territorio cromosomico eucromatina nucleo eterocromatina + All interno dei compartimenti subcromosomici, i segmenti cromatinici possono subire protrusioni o invaginazioni risultanti in mobilità cromatinica (ANSE DI CROMATINA o LOOP CROMATINICI) La mobilità dei singoli filamenti di cromatina varia rispetto alla specie, al tipo cellulare e allo stadio differenziativo complessità La regolazione dell espressione genica viene intesa in più dimensioni _

19 nucleo La Regolazione dell espressione genica è multi-dimensionale territorio cromosomico eucromatina eterocromatina REGOLAZIONE MONO-DIMENSIONALE Elementi regolatori linearmente contigui al gene da esprimere E P Gene

20 nucleo territorio cromosomico eucromatina eterocromatina REGOLAZIONE BI-DIMENSIONALE Sequenze contigue ma distanti possono avere effetto sulla regolazione di un gene (Looping - Scanning model) L P Gene

21 nucleo territorio cromosomico eucromatina eterocromatina REGOLAZIONE TRI-DIMENSIONALE A B Stimolo A B Geni localizzati su cromosomi diversi possono essere espressi o meno rispetto a quale regione occupano eterocromatina/eucromatina

22 nucleo REGOLAZIONE QUADRI-DIMENSIONALE territorio cromosomico AB Stimolo A B eucromatina eterocromatina Geni localizzati su cromosomi diversi possono essere co-regolati nello stesso loop cromatinico

23 nucleo + Livelli dell Epigenoma ORGANIZZAZIONE NUCLEARE territorio cromosomico eucromatina eterocromatina TOPOLOGIA DEI DOMINI CROMATINICI MOBILITA NUCLEOSOMICA complessità _ MODIFICAZIONI ISTONICHE METILAZIONE DEL DNA

24 Il nucleosoma come unità strutturale dell Epigenoma H2A tail H3 tail H2B tail H4 tail

25 Codice Istonico Differenti combinazioni di gruppi funzionali aggiunti alle code istoniche creano specifici segnali per attrarre o respingere complessi multiproteici deputati alla regolazione dell espressione dei geni

26 Esempi di complessi proteici coinvolti nella regolazione epigenetica

27 Regolazione Epigenetica Integrata Più complessi proteici agiscono insieme in modo coordinato

28 Mobilità nucleosomica rimodellamento

29 Compartimentalizzazione dei processi nucleari TRASCRIZIONE REPLICAZIONE RIPARO DEL DNA

30 Regolazione dell Espressione dei Geni nei Loops cromatinici Fraser P. and Bickmore W. Nature 2007 Geni localizzati in domini diversi possono venire co-regolati mediante l interazione tra anse di cromatina

31 Gene Kissing e Attivazione Trascrizionale Territori cromosomici TRASCRIPTION FACTORIES e foci ricchi in RNA PolII

32 Gene Kissing e Repressione Trascrizionale Territori cromosomici COMPLESSI DI REPRESSIONE (i.e. polycomb)

33 Chromosome or Gene Kissing la Co-localizzazione spazio-temporale di loci genici appartenenti a differenti cromosomi o a siti lontani sullo stesso cromosoma rappresenta un esempio dell organizzazione tridimensionale del genoma Lanzuolo 2007, Nat Cell Biol

34 Tecnologie per studiare l organizzazione tridimensionale del nucleo Combinando tecnologie di biochimica e biologia molecolare e cellulare con approcci di imaging avanzata tridimensionale e quadridimensionale (spazio-tempo) si può studiare l architettura genomica di una cellula 3C TECHNOLOGY - Chromosome capture conformation ha una risoluzione di analisi che supera di gran lunga quella dei microscopi ottici convenzionali DNA e RNA 3D-FISH è invece fondamentale per valutare la variabilità inter-individuale della popolazione cellulare e per poter discriminare tra i due alleli all interno di una singola cellula

35 Measuring cis/trans interactions in vivo by Chromosome Conformation Capture (3C) technology

36 Epigenetica e Regolazione dei Geni INATTIVAZIONE DEL CROMOSOMA X DETERMINAZIONE DEL SESSO IMPRINTING GENOMICO DIFFERENZIAMENTO CELLULARE MEMORIA CELLULARE

37 Epigenetica e Ambiente Proc Natl Acad Sci U S A Jul 26;102(30): Epub 2005 Jul 11. Epigenetic differences arise during the lifetime of monozygotic twins Fraga MF, Ballestar E, Paz MF, Ropero S, Setien F, Ballestar ML, Heine-Suñer D, Cigudosa JC, Urioste M, Benitez J, Boix-Chornet M, Sanchez-Aguilera A, Ling C, Carlsson E, Poulsen P, Vaag A, Stephan Z, Spector TD, Wu YZ, Plass C, Esteller M.

38 Epigenetica e Malattie Prader-Willy and Angelman syndromes Fragile X syndrome Rett syndrome Tutte hanno in comune difetti nei geni che controllano i meccanismi epigenetici (e.g Methyl binding proteins, DNA-methyl transferases, Chromatin remodeling factors) Anche i tumori hanno basi epigenetiche consistenti (Alterazioni globali della metilazione del DNA)

39 Epigenetica e Variabilità Inter-individuale Quanto conta la variabilità nell organizzazione tridimensionale del genoma per comprendere la variabilità esistente tra ciascuno di noi? Predisposizione alle malattie Polimorfismi Epigenetici

40 Il futuro della biologia nell epigenetica Perdere la Memoria per guadagnare una nuova vita 2001 Space Odissey, (S. Kubrick) Controllare/modificare il livello epigenetico Per permettere alla cellula di riscrivere la propria storia

41 Il futuro della biologia nell epigenetica TERAPIA CELLULARE Riprogrammare cellule tumorali per farne regredire le caratteristiche di aggressivita Riprogrammare cellule specializzate per consentire la rigenerazione dei tessuti

42 Il futuro della biologia nell epigenetica

43 Il futuro della biologia nell epigenetica I GENI IN RETE Studiare e capire il genoma in termini di complessita e dinamicità, utilizzando i moderni approcci di genomica e System Biology e quindi poter prevedere meglio come funziona. Identificare i codici molecolari che operano sopra (epi) il DNA Identificare tali codici su tutto il genoma Identificare le molecole che controllano il livello epigenetico (enzimi, RNA non codificanti)

44 Il futuro della biologia nell epigenetica APPLICARE QUESTE CONOSCENZE PER: Sviluppare strategie terapeutiche nuove che sfruttino il potenziale di plasticita intrinseco del genoma. Sviluppare farmaci che agiscono sulla rete in cui operano i geni e non sul singolo gene Agire in totale sicurezza per il paziente.

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