Introduzione all Epigenetica

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1 Università degli Studi di Ferrara Introduzione all Epigenetica Vincenzo Aiello Dipartimento di Scienze Biomediche e Chirurgico Specialistiche Istituto Tecnico Luigi Einaudi 9 gennaio 2015

2 Tra gli addetti ai lavori, il termine epigenetica ha assunto negli ultimi anni un significato sempre più importante.

3 Epigenetica nella regolazione dell espressione genica Che cosa è l epigenetica?

4 Epigenetica e Aristotele A guardar bene è possibile trovare le origini concettuali dell epigenetica già in Aristotele, che credeva nell epigenesi, cioè nello sviluppo di singole forme organiche a partire dall inorganico. In particolare per produttori si intendono organismi in grado di organizzare composti, o meglio elementi minerali di base come l' ossigeno o l'idrogeno o il magnesio in composti organici complessi, come le proteine, i glucidi o i lipidi.

5 Arthur D. Riggs La definizione oggi più diffusa del termine: EPIGENETICA è riconducibile ad Arthur D. Riggs. Biologo Molecolare (nato nel 1939) che per primo produsse l INSULINA per via tecnologica da Escherichia coli. Ha inoltre dedicato gran parte della sua attività allo studio della replicazione del DNA e delle proteine. Iniziando a lavorare nei laboratorio di Bayer nel 1973, iniziò ad intraprendere i suoi studi sulla replicazione del DNA e dell interazione tra DNA e Proteine. Definì l Epigenetica: Lo studio delle variazioni mitotiche e meiotiche nella funzione genomica che non possono essere spiegate nei termini di variazioni di sequenze del DNA.

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7 Conrad Waddington Conrad Waddington nel 1942 conia il termine epigenetica, definendola come la branca della biologia che studia le interazioni causali fra i geni e il loro prodotto e pone in essere il fenotipo. Studioso dell embriogenesi, famoso per l introduzione del concetto di: paesaggio epigenetico; canalizzazione. Conrad Hal Waddington ( )

8 Paesaggio Epigenetico Sentiero Epigenetico Produzione delle decisioni Canalizzazione

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11 Canalizzazione

12 Esponendo per 4 ore alla temperatura di 40 C pupe di Drosophila tra la diciassettesima e la ventitreesima ora dopo la formazione della pupa, Waddington ottenne in alcuni individui l anomala interruzione della venatura posteriore dell ala, simulando così il fenotipo crossveinless che compare a seguito di mutazione sul cromosoma 1 Utilizzando questi esemplari per produrre la seconda generazione, e ripetendo sia il trattamento sia la selezione, dopo 14 generazioni ottenne individui con il carattere crossveinless anche senza lo shock termico. L incrocio successivo di questi individui diede luogo ad un ceppo in cui ricorrevano con elevata frequenza crossveinless spontanei. In apparenza, il trattamento termico aveva indotto la mutazione nei soggetti crossveinless e tale carattere era stato trasmesso alle generazione successive con un processo selettivo a breve termine.

13 Canalizzazione In apparenza, il trattamento termico aveva indotto la mutazione nei soggetti crossveinless e tale carattere era stato trasmesso alle generazioni successive con un processo selettivo a breve termine. Non fu, però, questa l interpretazione dell autore.

14 Le conclusioni di Waddington ed la definizione di Canalizzazione Waddington ritenne, invece, che i ceppi studiati contenessero già le varianti genetiche capaci di indurre il carattere crossveinless, ma che esse rimanessero criptiche in forza di un meccanismo molecolare capace di neutralizzare l espressione fenotipica del genetico diverso da quello selvatico. Egli definì questo processo canalizzazione. Lo shock termico era in grado di compromettere la canalizzazione consentendo alle alterazioni nascoste (hidden variation) di emergere ed esprimersi a livello fenotipico.

15 L innovazione del pensiero di Waddington Waddington ritenne, invece, che i ceppi studiati contenessero già le varianti genetiche capaci di indurre il carattere crossveinless, ma che esse rimanessero criptiche in forza di un meccanismo molecolare capace di neutralizzare l espressione fenotipica del gene diverso da quello selvatico. Egli definì questo processo canalizzazione. Ruolo centrale alla genetica

16 In un nucleo di pochi micrometri sono contenuti circa 2 metri di DNA. Stiamo cercando di capire i meccanismi di accesso al DNA, considerando il ridotto volume del nucleo Gunter Reuter (Halle, Germania)

17 Che cosa è l EPIGENETICA? - Col termine di Epigenetica si indicano modificazioni del DNA e della cromatina che influenzano il genoma e l espressione genica senza alterare il DNA stesso. - L epigenoma decide che gene deve essere ON oppure OFF in una singola cellula, determinando un segnale di espressione genica. - L epigenoma puo essere ereditato da generazioni di cellule, salvando lo stesso programma genico o può cambiare (plasticità dell epigenoma).

18 Sviluppo embrionale

19 Il nostro corpo contiene centinaia di differenti tipi di cellule, benché ciascuna parta dallo stesso punto di partenza. Come le cellule si sviluppano il loro stato è governato dal fare tacere in modo selettivo un certo numero di geni. Questo silenziamento è regolato da fattori Epigenetici. Possiamo dire che i fattori Epigenetici governano l interpretazione del DNA che si trova in ciascuna cellula.

20 Differenziamento k Zigote Mitosi Sangue,Nervi, Muscolo,Ghiandole, Epitelio,ecc. Ogni cellula ha un proprio gruppo di geni espressi.

21 Dogma centrale Neurogenina Miogenina Neurogenina Miogenina Neurone Miotubo

22 I MECCANISMI EPIGENETICI REGOLANO L ESPRESSIONE GENICA

23 Epigenetica Definita come lo studio dei meccanismi responsabili di cambiamenti ereditabili nelle funzioni del genoma senza alcuna modificazione nella sequenza del DNA. Tutti uguali, Tutti diversi -stesso genoma -differenti fenotipi -differenti profili di espressione

24 Epigenetica La differenza tra Genetica ed Epigenetica può probabilmente essere spiegata come la differenza che c è, tra scrivere un libro e leggere un libro. Una volta che il libro è scritto, il testo (i geni o il DNA:depositari delle informazioni) è uguale in tutte le sue copie distribuite. I lettori che leggono il libro possono interpretare la storia in modo differente, dando differenti emozioni o interpretazioni. In modo simile, l Epigenetica permette di dare differenti interpretazioni di una stessa informazione genica.

25 Genetica ed Epigenetica Mutazione genetica: ATAGCTACCGT ATAGTTACCGT Perdita o alterazione di funzionalità proteica Perdita o alterazione dell espressione }IRREVERSIBILE Modificazione epigenetica: ATAGCTACCGT ATAGCTACCGT Alterazione dell espressione}reversibile

26 EPIGENETICA La manifestazione di espressioni complesse differenti a partire dallo stesso materiale

27 I due principali componenti del codice epigenetico sembrano essere la metilazione del DNA e le modificazioni della cromatina. Entrambi sono necessari per un corretto sviluppo e differenziamento, entrambi se mal controllati sono coinvolti in severe patologie umane.

28 La metilazione del DNA Dove la troviamo nel nostro genoma; Quali enzimi sono necessari per stabilire la sua specifica distribuzione; A cosa serve e come esercita il suo meccanismo; Cosa succede se viene male distribuita o male interpretata.

29 La metilazione del DNA Isole CpG: sequenze CG che sono accoppiate esattamente alle stesse sequenze in orientamento opposto sull altro filamento dell elica di DNA

30 L IMPRINTING DURANTE LA DIVISIONE CELLULARE La metiltrasferasi di mantenimento agisce da stampo sul filamento parentale, per la metilazione del nuovo filamento. Tale schema viene ereditato alle cellule figlie, assicurando in tal modo che nei tessuti differenziati sia mantenuto il profilo di espressione genica appropriato anche nel caso in cui le cellule vengano sostituite o ne siano aggiunte di nuove

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32 Distribuzione della Metilazione nel Genoma dei Vertebrati Il 70-80% delle citosine dei dinucleotidi sono metilati nella maggior parte dei tessuti. In genere i geni tessuto specifici non espressi sono metilati, mentre gli stessi geni sono demetilati nei tessuti in cui vengono espressi. Molti geni Housekeeping sono preceduti da CpG islands che in genere rimangono demetilati. A B C D E Tessuto A A B C D E Tessuto B

33 I caratteri acquisiti sono dovuti: all'ereditarietà (DNA) o all'ambiente?"

34 Epigenetica e Ambiente Alcuni esperimenti hanno dimostrati che l esposizione al freddo durante la stagione invernale determina dei cambiamenti nella cromatina che portano al silenziamento dei geni della fioritura. All arrivo della primavera (e quindi delle condizioni migliori per la riproduzione) i geni vengono riattivati.

35 Ciclo della Metionina

36 Epigenetica e Ambiente Nei topi il colore del pelo (che dipende dal grado di metilazionde del gene agouti durante lo sviluppo embrionale) può variare ed esperimenti dimostrano che viene influenzato dalla dieta: supplementi nel cibo a base di acido folico o vitamina B12 (ricchi in gruppi metilici) orienteranno il colore del pelo in un senso più che nell altro.

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38 The Hunger Winter Occupied Holland, by Van Der Zee, Henri A Ambiente e modificazioni epigenetiche

39 L inattivazione del cromosoma X L inattivazione del cromosoma X è uno dei più noti tra i fenomeni epigenetici, conosciuto anche come effetto Lyon o Lyonizzazione.

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44 1971 Identificazione del primo oncosoppressore, il gene RB (Alfred Knudson) Meccanismi epigenetici e processi patologici 1983 Perdita di metilazione associata all insorgenza di tumori (Andrew Feinberg e Bert Vogelstein) Fine anni 80-inizio anni 90 Ipermetilazione del gene RB (Bernard Horsthemke, Thaddeus Dryia, Toshiyki Sakai) 1999 Mutazione della proteina MeCP2 e sindrome di Rett, ICD10 F84.2 (Uta Franke e Huda Zoghbi) 1983 Ipometilazione dell oncogene Ras (Andrew Feinberg e Bert Vogelstein) Primi anni 90 Identificazione del primo gene imprinted IGF2 (perdita dell imprinting e tumore di Wilms)

45 IMPRINTING

46 IMPRINTING in biologia Il termine Imprinting è stato coniato da Konrad Lorenz (anni 30) per indicare l insorgere di un comportamento a seguito di esperienze vissute in momenti critici dello sviluppo. IMPRINTING genomico Espressione differenziata di un materiale genetico, a seconda che esso derivi dal genitore di sesso maschile oppure dal genitore di sesso femminile. L imprinting genomico è un meccanismo EPIGENETICO di regolazione trascrizionale attraverso il quale l espressione di un gruppo di geni è limitata ad un solo allele parentale Modificazione degli istoni del DNA metilazione/fosforilazione/acetilazione/ ubiquitinizzazione Metilazione del DNA - isole CpG

47 La mancanza di un imprinting genetico corretto che coinvolge i geni del cromosoma 15 causa SINDROME DI ANGELMAN SINDROME DI PRADER-WILLI Due sindromi complesse che influenzano lo stato ormonale, il metabolismo e la capacità di movimento.

48 LA GENETICA DELLE MALATTIE DI E DI Le due malattie sono di solito causate da una microdelezione che colpisce il braccio lungo del cromosoma 15 ma, mentre nella PWS il cromosoma colpito è quello di origine paterna, nella AS è quello di origine materna. Il fatto che le due malattie siano clinicamente molto diverse è imputabile al fatto che i geni presenti in quella stessa regione genomica sono espressi diversamente nei cromosomi ereditati dall uno o dall altro genitore. Mentre la AS è causata dalla mancata espressione del solo gene UBE3A, la PWS è causata dalla mancata espressione di più geni (SNRPN).

49 IMPRINTING GENOMICO Se imprinting materno: viene inibita selettivamente l espressione dell allele materno. Se imprinting paterno: viene inibita selettivamente l espressione dell allele paterno. NO IMPRINTING IMPRINTING MATERNO IMPRINTING PATERNO Espressi ambedue gli alleli Espresso SOLO l allele paterno Espresso SOLO l allele materno CELLULE SOMATICHE 2 alleli uno di origine paterna ed uno di origine materna

50 Prader-Willi/Angelman (SNRPN)

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53 A PW Aspetti clinici: microbrachicefalia lingua protusa all esterno spazio tra i denti ritardo mentale grave riso ingiustificato epilessia mani e piedi piccoli ipogonadismo obesità ritardo mentale medio facies caratteristica problemi comportamentali

54 Affermazione di Lanlan Shen "Sapevamo che al cancro sono associati dei cambiamenti epigenetici, ma non sapevamo se fossero la causa o la conseguenza della malattia. Lo sviluppo di questo nuovo approccio di ingegneria epigenetica ci ha permesso di verificare che anche cambiamenti a carico solo della metilazione del DNA possono indurre il cancro".

55 I profili di metilazione del DNA durante l embriogenesi non sono casuali, e contribuiscono all espressione genica tessuto-specifica. In effetti circa il 50% delle isole CpG è presente in geni tessuto-specifici. Il pattern di metilazione delle isole CpG è unico in ciascun tessuto o tipo cellulare. L impossibilità di stabilire profili di metilazione corretti può portare a letalità embrionale o può risultare in malformazioni dello sviluppo cranio-facciale, inclusa la schisi del palato.

56 LABIOPALATOSCHISI Nell eziologia delle malformazioni orofacciali sono stati implicati diversi fattori ambientali, come l abuso di alcol, il fumo di sigaretta, l uso di farmaci (acido retinoico) o l esposizione a determinati composti chimici quali pesticidi, come pure un alterata assunzione di nutrienti (elementi in traccia o folati). Tutti questi insulti ambientali possono causare una metilazione del DNA aberrante in geni suscettibili durante lo sviluppo embrionale o fetale.

57 Malattie epigenetiche Sindrome dell X fragile. Sindrome di Rett. Sindrome ICF (Immunodeficienza, instabilità Centromerica e anomalie Facciali). Tumori Malattie neurodegenerative (Alzheimer, Parkinson, Demenza Cardio-Vascolare ). Disordini psichiatrici (schizofrenia, eating disorders, dipendenze e uso di droghe da abuso). Autismo Morbo di Chron Aterosclerosi

58 Epigenetica La scienza dell Epigenetica, che letteralmente significa controllo sul patrimonio genetico, cambia radicalmente la nostra comprensione dei meccanismi di controllo della vita [Pray 2004; Silverman 2004]. Negli ultimi dieci anni, la ricerca epigenetica ha dimostrato che i modelli di DNA trasmessi attraverso i geni non sono fissati alla nascita. I geni non sono il destino!

59 Si intende per epigenetica una qualunque attività di regolazione dei geni attraverso processi chimici che non comportino cambiamenti nel codice del DNA, ma possono modificare il fenotipo dell individuo o della progenie. Questi fenomeni epigenetici alterano l accessibilità fisica al genoma da parte di complessi molecolari deputati all espressione genica e quindi alterano il funzionamento dei geni. A oggi l epigenetica viene definita come lo studio delle modifiche ereditabili nella funzione del genoma che si verificano senza cambiamenti della sequenza di DNA.

60 Epigenetica Quindi il modo di emozionarsi/sentire/pensare della persona influenza e modifica la genetica che è in ogni sua cellula, e viceversa la modifica genetica influenza il modo di emozionarsi/sentire/pensare della persona perché ha una corrispondenza diretta nelle cellule, cioè nel corpo.

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