Epigenetica

I meccanismi epigenetici

Le modifiche epigenetiche sono cambiamenti ereditabili nell'espressione genica che, a differenza delle mutazioni, non modificano la sequenza di basi del DNA. Questi cambiamenti avvengono tramite l'attacco o la rimozione di tag (gruppi chimici) al DNA o alle proteine istoniche.

La persistenza a lungo termine dei cambiamenti nell'espressione genica è una caratteristica importante degli effetti epigenetici.

Durante lo sviluppo embrionale, le modifiche epigenetiche vengono trasferite da cellula a cellula. Ad esempio, i cambiamenti epigenetici nelle cellule muscolari adulte impediscono l'espressione di geni che non sono necessari per la funzione del muscolo, poiché l'espressione sarebbe uno spreco.

Alcuni cambiamenti epigenetici, come quelli menzionati sopra, sono relativamente permanenti durante la vita di un individuo, mentre altri possono essere reversibili durante la vita dell'individuo.

Negli organismi multicellulari che si riproducono per via sessuale, alcune modifiche epigenetiche possono essere trasmesse dai genitori alla prole. Questo tipo di eredità è chiamata eredità epigenetica transgenerazionale.

Fattori ambientali come lo stress, le tossine e gli agenti presenti nel fumo di sigaretta possono provocare modifiche epigenetiche al DNA e influenzare l'espressione genica.

Modifiche epigenetiche

Le tre modificazioni chimiche più comuni coinvolte nella regolazione epigenetica dell'espressione genica sono la metilazione del DNA, il rimodellamento della cromatina e la modificazione covalente degli istoni.

Metilazione del DNA

Un metodo utilizzato dagli eucarioti per sopprimere l'espressione genica è chiamato metilazione del DNA.

La metilazione del DNA avviene quando i gruppi metilici (-CH₃) sono attaccati covalentemente al carbonio nella posizione numero 5 della base citosina del DNA da un enzima chiamato DNA metiltransferasi, formando la 5-metilcitosina. La citosina metilata è solitamente collegata a un residuo di guanina adiacente tramite un legame fosfodiesterico sullo stesso filamento. Questi dinucleotidi di citosina e guanina sono chiamati isole CpG.

Figura 1. Diagramma schematico della metilazione del DNA e struttura chimica della 5-metilcitosina.

La metilazione del DNA di solito inibisce la trascrizione dei geni negli eucarioti, soprattutto quando si verifica in prossimità della regione promotrice del gene. Sia nei vertebrati che negli invertebrati esistono molte isole CpG situate vicino al promotore.

Nei geni housekeeping (geni essenziali per la vitalità della maggior parte delle cellule negli organismi multicellulari, come il gene della RNA polimerasi), le isole CpG sono principalmente non metilate. Di conseguenza, gli housekeeping sono espressi in quasi tutti i tipi di cellule. D'altra parte, alcuni geni tessuto-specifici altamente regolati possono essere soppressi dalla metilazione delle isole CpG.

La metilazione delle isole CpG inibisce la trascrizione del DNA in due modi:

1. In primo luogo, la metilazione può influenzare il legame dei fattori di trascrizione regolatori (TF) al DNA. Per esempio, la presenza del gruppo metile può impedire il legame di un TF attivatore alla regione dell'enhancer. Ciò inibirebbe il reclutamento della RNA polimerasi al promotore e inibirebbe l'inizio della trascrizione.
2. In secondo luogo, la metilazione sopprime l'espressione dei geni attraverso proteine chiamate methyl-CpG-binding proteins. Queste proteine possono riconoscere e legarsi specificamente ai gruppi CpG metilati. Successivamente, queste proteine reclutano altre proteine che inibiscono la trascrizione. Ad esempio, possono reclutare un'istone deacetilasi nella regione CpG metilata vicino al promotore, che rimuove i gruppi acetilici dagli istoni e rende più difficile la rimozione degli istoni dal DNA.

Rimodellamento della cromatina

Nelle cellule eucariotiche, diverse aree della cromatina possono avere conformazioni diverse. Le aree di cromatina densamente impacchettate e con una struttura chiusa sono chiamate eterocromatina. A causa della sua organizzazione densa, la trascrizione dei geni all'interno dell'eterocromatina è molto difficile o quasi impossibile.

Le aree più aperte della cromatina sono note come eucromatina. Grazie alla loro conformazione aperta, la DNA polimerasi e le TF possono accedere ai geni dell'eucromatina più facilmente dell'eterocromatina. Di conseguenza, i geni presenti nell'eucromatina sono espressi in misura maggiore rispetto ai geni situati nell'eterocromatina.

La cromatina può essere rimodellata. Un modo per farlo è il rimodellamento della cromatina dipendente dall'ATP. Questo processo è realizzato da complessi proteici in grado di riconoscere i nucleosomi.

Questi complessi contengono una subunità catalitica ATPasi chiamata DNA translocasi, che può utilizzare l'energia rilasciata dall'idrolisi dell'ATP per modificare la posizione o la composizione dei nucleosomi, rendendo la cromatina più o meno condensata.

Modifiche covalenti degli istoni

I complessi istonici sono strutture che avvolgono la doppia elica del DNA nei nucleosomi. Ciascuno di questi complessi è composto da otto proteine istoniche che consistono in un dominio globulare e in una coda amino-terminale carica e flessibile.

Le code amino-terminali sporgono dalla cromatina mentre il DNA si attorciglia intorno ai domini globulari. Le code amino-terminali contengono particolari aminoacidi che sono soggetti a varie modifiche covalenti come l'acetilazione, la metilazione e la fosforilazione.

Le modificazioni degli istoni influenzano le interazioni all'interno dei nucleosomi. Prendiamo ad esempio l'acetilazione. Abbiamo accennato brevemente all'acetilazione degli istoni quando abbiamo parlato della metilazione del DNA. Durante l'acetilazione dell'istone, un gruppo acetile (CH3CO-) viene aggiunto a un residuo di lisina carico positivamente nella coda amino-terminale della proteina core dell'istone dall'istone acetiltransferasi. Questo legame elimina la carica positiva sulla catena laterale della lisina, interrompendo l'attrazione elettrostatica tra gli istoni carichi positivamente e i filamenti di DNA carichi negativamente. Di conseguenza, il DNA diventa meno strettamente legato alle proteine istoniche e diventa più accessibile alla RNA polimerasi e ai TF.

L'acetilazione degli istoni è una modifica reversibile e il gruppo acetile può essere rimosso dalle proteine del nucleo degli istoni dall'enzima istone deacetilasi. Una diminuzione dell'acetilazione significa che la lisina è nel suo stato di carica positiva e ha una maggiore attrazione per la molecola di DNA, causando un'associazione più forte tra il DNA e gli istoni, per cui il DNA non è disponibile per i fattori di trascrizione. Pertanto, la produzione di mRNA non viene avviata e il gene è spento: non può essere trascritto o tradotto.

Eredità epigenetica transgenerazionale

Come discusso in precedenza, gli effetti epigenetici determinano modifiche del DNA e dei cromosomi che alterano l'espressione genica. Alcune di queste modifiche epigenetiche possono essere reversibili durante la vita di un individuo, ma altre possono essere permanenti o addirittura trasmesse alla generazione successiva. Per esempio, è stato dimostrato che il diabete gestazionale in una madre incinta può aumentare la probabilità che la figlia sviluppi il diabete gestazionale in futuro. Queste elevate concentrazioni di glucosio causano cambiamenti epigenetici nel DNA della figlia.

Nonostante il meccanismo cellulare che ricerca e cancella i cambiamenti epigenetici nel DNA degli spermatozoi e delle cellule uovo, alcune modifiche possono sfuggire e venire trasmesse.

Compensazione di dosaggio

La compensazione di dosaggio descrive il fenomeno che assicura che il livello di espressione dei geni sessuali (come quelli sul cromosoma X) sia lo stesso nei maschi e nelle femmine, anche se maschi e femmine hanno un numero diverso di cromosomi sessuali.

Imprinting genomico

L'imprinting genomico si riferisce alla marcatura di un segmento di DNA che viene mantenuto e riconosciuto per tutta la vita dell'organismo, che eredita il DNA marcato. L'imprinting genomico avviene prima della fecondazione e coinvolge principalmente una modifica di un singolo gene o cromosoma durante la gametogenesi.

A seconda che l'imprinting avvenga durante la formazione dello spermatozoo o della cellula uovo, ogni progenie esprime solo uno dei due alleli. Questo fenomeno è definito espressione monoallelica.

Epigenetica e malattia

Le modifiche epigenetiche sono un processo regolato che fa parte di uno sviluppo sano.

Inoltre, come descritto in precedenza, i meccanismi epigenetici possono essere legati a fattori ambientali e stili di vita, per tanto, essi possono derivare da situazioni potenzialmente dannose (esempio: vivere in ambienti con un alta percentuale di inquinamento dell'aria) così come benefiche (esempio: stile nutrizionale sano e attività fisica regolare).

Tuttavia, l'alterazione di uno qualsiasi dei meccanismi epigenetici può provocare l'attivazione o il silenziamento di geni aberranti e causare alcuni disturbi. Tali modifiche sono state collegate a vari disturbi, uno dei quali è il cancro.

Epigenetica e cancro

Come abbiamo detto in precedenza, le modifiche epigenetiche non influiscono sulla sequenza di basi del DNA. Tuttavia, possono aumentare il tasso di mutazioni.

Le alterazioni epigenetiche sono legate allo sviluppo del cancro. Sono presenti nelle cellule tumorali e spesso collaborano con le alterazioni genetiche che determinano le proprietà delle cellule tumorali.

TSGs

I geni soppressori di tumori dall'inglese tumour suppressor genes (TSG) codificano per proteine che rallentano la divisione cellulare. Possono essere considerati come interruzioni del ciclo cellulare. I TSG possono innescare la morte cellulare (apoptosi) se vengono rilevati errori nel processo di replicazione del DNA.

Se si verifica una mutazione nelle TSG, la proteina prodotta non è funzionale. Questo porterebbe a una divisione cellulare incontrollata e a una proliferazione sregolata. Esempi di TSG importanti nelle cellule sono i geni p53 del retinoblastoma. Altri esempi sono i geni BRCA1 e BRCA2, legati allo sviluppo del cancro al seno.

Le TSG possono essere inattivate attraverso tre vie:

1. Mutazione con perdita di funzione.
2. Delezione completa.
3. Soppressione mediante cambiamenti epigenetici.

Il silenziamento epigenetico delle TSG può avvenire attraverso la deregolazione del macchinario responsabile delle modifiche epigenetiche. Ad esempio, può comportare una metilazione inappropriata delle isole CpG all'interno della regione promotrice delle TSG, sopprimendo così la loro trascrizione.

Proto-oncogeni

I proto-oncogeni sono un'altra serie di geni importanti nella fisiopatologia dei tumori. I proto-oncogeni sono geni normali che promuovono la proliferazione cellulare e possono essere considerati come pedali del gas che accelerano il ciclo cellulare. Un esempio di oncogeni è la proteina ras.

Quando l'attività dei proto-oncogeni viene potenziata da una mutazione, essi diventano oncogeni e provocano una proliferazione cellulare incontrollata. Anche i cambiamenti epigenetici possono aumentare l'espressione dei proto-oncogeni. Ad esempio, l'acetilazione dei complessi istonici intorno ai proto-oncogeni rende il DNA meno strettamente legato al complesso istonico e più accessibile al macchinario di trascrizione. L'aumento dell'espressione dei proto-oncogeni avrebbe un effetto oncogeno sulla cellula e porterebbe a una divisione cellulare incontrollata.

Figura 2. Questo diagramma mostra il processo di acetilazione degli istoni e il suo effetto sull'accessibilità del DNA da parte del macchinario di trascrizione.