EPIGENOMA ED
AMBIENTE
LICEO SCIENTIFICO STATALE GALILEO GALILEI
Via Danimarca, 54 – 90146 Palermo
Alunni della classe IV F
Corrao B.,La Barbera E.,Midolo M.,Motta S.
Tutor prof.ssa Lidia Palumbo
GENETICA ED
EPIGENETICA
1)Genètica ( termine coniato nel 1806 dal biologo W. Bateson) :
Ramo delle scienze biologiche che studia i fenomeni e i problemi
relativi alla discendenza e cerca di determinare le regole della
trasmissione dei caratteri ereditarî, della variabilità, e dell’evoluzione
degli esseri viventi.
2) Epigenetica :Termine usato per descrivere tutte quelle
modificazioni ereditabili che variano l’espressione genica pur non
alterando la sequenza del DNA. Con termini più tecnici, si
definiscono epigenetici quei cambiamenti che influenzano il fenotipo
senza alterare il genotipo.
E ANCORA…..
ANCORA…..
L’epigenetica è lo studio delle variazioni mitotiche e meiotiche
nella funzione genomica che non possono essere spiegate nei termini di
variazioni di sequenza del DNA (Riggs, 1996).
"La differenza fra genetica ed epigenetica può essere paragonata alla
differenza che passa fra leggere e scrivere un libro. Una volta scritto il
libro, il testo (i geni o le informazioni memorizzate nel DNA) sarà
identico in tutte le copie . . Ogni lettore potrà tuttavia interpretare la
trama in modo leggermente diverso, provare emozioni diverse e
attendersi sviluppi diversi man mano che affronta i vari capitoli.
Analogamente, l'epigenetica permette interpretazioni diverse di un
modello fisso (il libro o il codice genetico) e può dare luogo a diverse
letture, a seconda delle condizioni variabili con cui il modello viene
interrogato".
(Thomas Jenuwein)
EREDITA’ FORTE ED
EREDITA’ SOFT
L’ereditarietà “forte” è determinata dalla
sequenza delle basi del DNA.
L’epigenetica è un insieme di reazioni che, non
alterando la struttura del DNA, possono
influenzare, sia l’espressione genica ma anche e
soprattutto ciò che viene trasmesso alle
generazioni future. La trasmissione dei caratteri
connessa all’epigenetica è un processo “soft”,
perché può essere instabile a causa
dell'ambiente,quindi :
EPIGENETICA= “EREDITÀ SOFT”
“It’s not all my DNA"
(SIR DAVID CHARLES BAULCOMBE UNO DEI PADRI
DELL’EPIGENETICA)
DARWIN
Secondo Darwin
l’ambiente naturale opera
una selezione sugli
individui di una
popolazioni, favorendo la
sopravvivenza degli
organismi meglio adattati
al luogo in cui vivono.
LAMARCK
Secondo Lamarck gli organismi
odierni sono il frutto di un
graduale processo di
cambiamenti indotti dalle
condizioni ambientali.
Egli formula due leggi:
• LEGGE DELL’USO E
DEL NON USO: Un
organo può svilupparsi o meno in
maniera dipendente al suo grado
di utilizzo.
• LEGGE
DELL’EREDITARIETA’
DEI CARATTERI
ACQUISITI: Un carattere
acquisito da un animale durante il
corso della sua vita può essere se
stesso alla progenie.
REGOLAZIONE E
CAMBIAMENTI EPIGENETICI
La regolazione epigenetica abbraccia diverse fasi
dell’espressione genica:dalla diretta modificazione del DNA e
delle code degli istoni, che regolano la fase della trascrizione, alle
interazioni con l’RNA messaggero , che modula la fase di
trascrizione.
I cambiamenti epigenetici consistono in modificazioni degli istoni
(proteine di base che si legano al DNA) e nella metilazione del
DNA stesso.
I MECCANISMI DI BASE
DELL’EPIGENETICA
DNA methylation
DNA methyltransferases
(DNMTs)
regulation of chromatine
structure through histone
post-translational modifications
Histone deacetylases
(HDACs)
L’EPIGENOMA
DIRETTORE DELL’ORCHESTRA DEL
DNA
Il DNA si avvolge attorno agli istoni, proteine che, come il DNA
stesso, vengono modificate con l’aggiunta o rimozione di gruppi
chimici: è così che prende vita il cosiddetto paesaggio epigenetico
del DNA, il vero responsabile dell’espressione di un gene. La
presenza di gruppi chimici modifica la struttura della cromatina:
alcuni lo fanno arrotolare strettamente, bloccando l’espressione
genica (“adagio”), mentre altri fanno assumere al DNA una
struttura più “aperta”, che permette la trascrizione del gene (“allegro
con brio“). Ad esempio, l’aggiunta di gruppi metile al DNA ne
causa la metilazione, un’alterazione che spegne l’espressione genica,
mentre l’acetilazione degli istoni la accende.
IL DIRETTORE DELL’ORCHESTRA DEL
DNA
Perché un organismo cresca e si sviluppi è necessario
coordinare l’espressione dei geni.In ogni istante dello
sviluppo, è quindi importante che alcuni geni vengano
espressi, mentre altri spenti. Coordinare l’espressione dei
geni è come dirigere gli strumenti di un’orchestra. Nella
cellula, il compito del direttore d’orchestra è affidato all’
epigenetica, l’insieme di modificazioni chimiche che accende
o spegne un gene. E’ proprio grazie alla combinazione di
geni accesi/spenti che viene guidato il differenziamento
cellulare.
Il paesaggio epigenetico risente degli stimoli ambientali. La dieta,
l’inquinamento e lo stress sono tutti elementi in grado di
influenzare l’epigenoma, che si modificherà per adattare
l’espressione genica al mutevole ambiente in cui viviamo. Se da un
lato questa plasticità aumenta le nostre chance di sopravvivenza,
dall’altro può avere effetti a lungo termine che solo ora iniziamo a
comprendere.
(“Stress serves an important purpose in maintaining
health, but prolonged or severe stress can be
harmful, particularly to the central nervous
system. Nature Neuroscience presents a special issue
focused on how stress affects brain function,
behavior, and the development of psychiatric
diseases, via a series of reviews and perspectives
written by leaders in the field”)
”LA NUTRIGENOMICA ”
(LA MEDICINA DEL FUTURO)
"La nutrigenomica è una disciplina che esplora come
il nostro genoma regola la risposta individuale al cibo
di cui ci nutriamo“. Alcuni nutrienti (come l’acido
folico e le vitamine del gruppo B) vengono
incanalati in una via metabolica che favorisce la
formazione dei gruppi metile usati per la
metilazione del DNA. Uno degli obiettivi della
nutrigenomica è anche quello di seguire il risultato
della dieta sull'evoluzione della specie umana, oltre
che sfruttare la comprensione del rapporto
dieta/genoma per incidere in futuro su una serie di
patologie, per attenuarle o prevenirle.
( Lidia Larizza, ricercatrice del Laboratorio di citogenetica e
genetica molecolare dell'Istituto auxologico italiano di Milano)
LA MAPPA DELL’ATTIVITA’ DEI GENI CHE
GOVERNA LE MALATTIE
“E’ pronta la mappa genetica che promette di dirci quale parte
di noi è scolpita nella pietra del nostro Dna, e quali i bit che
possono invece “orchestare” le nostre vite. La nuova mappa
epigenetica, pubblicata in 24 articoli sulle riviste del gruppo
Nature, fornisce le istruzioni che governano i geni .”
di Francesca Cerati - ( http://24o.it/lblWzw)
NIH ROADMAP EPIGENOMICS
MAPPING CONSORTIUM
La mappa è frutto del lavoro di un consorzio di biologi e informatici
chiamato Roadmap dell'epigenetica, il più grande progetto nel campo
della genetica da quando nel 2000 è stato decodificato il Dna, il libro
della vita. L'obiettivo è di arrivare a generare 1000 genomi di
riferimento. Sono attualmente 111 gli epigenomi decodificati dai
ricercatori dell’ NIH Roadmap Epigenomics Program, un progetto di
ricerca internazionale volto a identificare il profilo epigenetico di
diversi tessuti umani.
Tra i campioni presi in esame dal Roadmap Epigenomics
Program vi sono sia cellule di organi e tessuti adulti (per
esempio, le cellule del sistema immunitario), sia cellule
staminali embrionali, il cui profilo epigenetico potrebbe
svelare come si sviluppa un nuovo individuo. Sotto la lente
degli scienziati anche l’epigenoma delle cellule iPS, le
cellule staminali pluripotenti indotte del premio
Nobel Shinya Yamanaka, sulle cui proprietà sono riposte
le speranze della medicina rigenerativa. (Laura Rossi)
(Shinya Yamanaka è un medico giapponese, professore
all'Università di Kyoto, specializzato sulle cellule staminali
pluripotenti indotte e biologia dello sviluppo.)
L’EPIGENETICA
DI BRUCE LIPTON
(Autore del bestseller LA BIOLOGIA DELLE CREDENZE - Come il
pensiero influenza il DNA e ogni cellula)
Lipton ritiene che Darwin avesse torto. La competizione non è la
base dell'evoluzione. Al contrario, dice, dovremmo leggere l'opera
di Jean-Baptiste de Lamarck, e dimostrò che la cooperazione e la
comunità sono la base della sopravvivenza.
Ecco qui una interessante intervista esclusiva a Bruce
Lipton: epigenetica, credenze, amore e paradiso in terra
https://youtu.be/MT9lYaE8rMQ
EPIGENETICA E NEUROSCIENZE
L’epigenetica si è rivelata di crescente importanza per le
neuroscienze.
meccanismi epigenetici sono implicati nello sviluppo cerebrale e
nella differenzazione neuronale, cosi come in processi più dinamici
relativi alla cognizione.
I meccanismi epigenetici sono giocatori chiave nel processo di
invecchiamento e per quanto
concerne le malattie neurodegenerative legate all’età , quale
l’Alzheimer, il morbo di Parkinson , e
la malattia di Huntington, dove può mediare interazioni tra i fattori
di rischio genetici e ambientali,
o interagire direttamente con i fattori patologici di specifiche
malattie.
Cellule staminali neurali (fonte: Yvonne Nolan, Louise Collins, Suzanne Crotty,
University College Cork, Ireland)
L’EPIGENETICA NEL PROCESSO
NEURODEGENERATIVO
approccio tradizionale
nurture
nature
ambiente
patrimonio
genetico
epigenetica
ambiente
neurodegenerazione
patrimonio
genetico
neurodegenerazione
Una classica controversia:
“Nature and Nurture”, geni e
ambiente
Dicotomia nature vs nurture, natura contro cultura. Una
grande diatriba tra chi pensa che i tratti comportamentali della
persona siano conseguenza di geni ereditati o di cause
fisiologiche e chi, invece, sostiene che l’ambiente nel quale il
soggetto è cresciuto, famiglia in primis, sia stato determinante.
Le malattie neurodegenerative, come la malattia di Alzheimer, il
morbo di Parkinson, la Sclerosi Laterale Amiotrofica
(SLA), sono patologie caratterizzate dalla perdita lenta e
progressiva di una o più funzioni del sistema nervoso. Il deficit
della memoria e la progressiva compromissione delle funzioni
cerebrali, sono dovuti alla degenerazione di una popolazione
particolare di neuroni, chiamati colinergici perché rilasciano
acetilcolina e proprio attraverso questo neurotrasmettitore
comunicano con altri neuroni e presiedono funzioni complesse
come la memoria e il ragionamento.
LA SLA
Si presuppone l’influenza di fattori ambientali e di
traumi, con i quali si cerca di spiegare l’apparente
frequenza della malattia tra chi pratica attività
sportive che comportano frequenti colpi alla testa.
Tra le varie possibili cause dell'insorgenza
della malattia, si citano l'eccesso di glutammato,
la predisposizione genetica e i
fattori ambientali tossici.
Le cause della malattia sono ignote. Solo il 10% dei casi risulta da fattori di origine
genetica
Un aminoacido neurotossico, che entra nella catena alimentare, è stata individuato negli
abitanti dell’isola di Guam come responsabile dell’aumento di incidenza della malattia in
questa isola del Pacifico.
ALS-parkinsonism-dementia complex of GUAM
Zang ZX et al, 1995
the changing epidemiology of ALS-PD-AD complex of Guam
The environmental hypothesis for ALS-PD-dementia
complex of Guam
mature Cycad seeds
Cycad seed-derived flour used in foodstuff
Cycad micronesica
Spencer PS, 1987
the biomagnification of BMAA neurotoxin in the Guam ecosystem
Flying Fox consumed as a delicacy
by native Guamanians
Flying Fox eating a cycad seed
Cox PA and Sacks OW, 2002
The biomagnification hypothesis
The changing epidemiology of ALS-PDC in Guam and its
relationship to the disappearance of Flying Foxes
ALS-PDC
Flying Foxes
Cox PA et al, 2003
BMAA neurotoxicity
upper MN
axon (CST)
BMAA level
increased ?
Cyst
Xc-
Glutathione
CSF
Glut
Blood-Brain
Barrier
EAAT2
Xc-
glia
lower (spinal)
MN
John Steele
Tra i medici che hanno descritto la malattia
Oliver Sacks (neurologo) e Paul Cox (botanico) hanno suggerito l’ipotesi dei cianobatteri
L’Alzheimer colpisce circa 600,000 persone solo in Italia (e più 5
milioni nel mondo) .
I malati di Parkinson superano in Italia le 250,000 unità e, come
accade per l’Alzheimer, sopra i 65 anni di età l’incidenza
aumenta sensibilmente Il morbo di Parkinson è contraddistinto
da movimenti incontrollati del corpo, rigidità, tremore e acinesia.
Caratteristica per la malattia è una progressiva perdita delle
cellule nervose contenenti dopamina .
Cellule staminali umane ridonano la
memoria ai topi. Lo dimostra un
esperimento nel quale cellule staminali
embrionali umane opportunamente
preparate sono state impiantate nel
cervello di topi, ripristinando la memoria e
la capacità di apprendere, compromesse
da un danno cerebrale. I risultati di
questa 'prima assoluta', condotta negli
Stati Uniti, presso l'università del
Wisconsin a Madison, sono pubblicati
sulla rivista Nature Biotechnology.
Quando inizia il processo neurodegenerativo?
Malattia di Alzheimer
Bateman RJ et al. N Engl J Med 2012;367:795-804
Aβ deposition in Autosomal Dominant Alzheimer's disease
years before expected clinical symptoms.
Quando inizia il processo neurodegenerativo?
Malattia di Parkinson
Kordower et al, 2013
Il 50-80 % dei neuroni è già degenerato
nei primi 1-5 anni dall’esordio
Fearnley & Lees, 1991
La fase pre-sintomatica della malattia ha
una durata di almeno 5-10 anni
Quando inizia il processo neurodegenerativo?
SCOPERTE ITALO – CANADESI:
L'EPIGENETICA NUOVA STRADA PER
LA CURA DI PAZIENTI CON DEMENZA
E’ uno studio condotto su pazienti affetti da demenza frontotemporale
(FTD)
Nel 2011, è stato isolato un gene, il C9orf72, le cui anomalie geniche
(espansioni) risultano essere oggi la causa più frequente di FTD familiare.
Studiando la metilazione del DNA nei pazienti con FTD, associata ad
espansione di C9orf72, e valutando lo stesso processo in pazienti FTD
senza espansione e nei controlli sani, il gruppo di ricerca ha dimostrato che
la metilazione è significativamente più elevata nei pazienti con espansione
sia nelle regioni adiacenti che all’interno della stessa espansione del
DNA.
Risultati analoghi sono stati anche dimostrati nei pazienti affetti da SLA sclerosi laterale amiotrofica.
E’ già in corso in alcuni modelli sperimentali di demenza (topi transgenici) la
valutazione di diverse molecole che possono modulare i processi di
metilazione, rallentando così le progressione di malattia
(http://www.saluteh24.com/il_weblog_di_antonio/2015/06/epigenetica-lanuova-strada-per-la-cura-dei-pazienti-con-demenza-all-ospedale-molinette-ditorino).
" PIPISTRELLI, TUBERI, COZZE, LEGUMI E
PESTICIDI: LE CAUSE AMBIENTALI DELLE
MALATTIE NEURODEGENERATIVE“
UN INTERESSANTE SEMINARIO AL LICEO “G.GALILEI “ DI
PALERMO
Prof. Vincenzo La Bella, MD, PhD
ALS Clinical Research Center
Laboratory of Neurochemistry
BioNeC, University of Palermo
via G La Loggia 1 - 90129 Palermo
Italy
L’EPIGENETICA DI PAOLO VINEIS
Paolo Vineis, (epidemiologo e professore di Global Health
all’Imperial College di Londra), ha affrontato il tema
dell’epigenetica e le cause ambientali delle malattie,come
fenomeni complessi che investono la sfera ambientale, sociale,
economica, politica e culturale, evidenziando il legame tra
cambiamento climatico, flussi migratori, industria alimentare e crisi
economica.
https://youtu.be/RL81eTRKEzI
THE FUTURE OF SCIENCE:LA RICERCA
EPIGENETICA PER LA CURA DEL CANCRO
(AIRC )
EPIGENETICA, MEDICINA DI
PRECISIONE,CANCRO
Il ricercatore americano Joseph Costello è Professore di
Chirurgia Neurologica, Responsabile di Neuro-Oncologia
Molecolare, University of California San Francisco) Ha
illustrato i nuovi scenari resi possibili dallo sviluppo della ricerca
epigenetica nella cura e prevenzione del cancro.
La medicina del futuro sarà sempre più precisa: le terapie saranno
sempre più mirate non solo sulla malattia nel singolo individuo, ma
anche sulla sua evoluzione nel tempo. La medicina di precisione
applicata all'oncologia consente di selezionare la terapia più
adeguata al singolo paziente proprio partendo dalle
caratteristiche specifiche del suo genoma e del suo
epigenoma.
ESEMPI DI RICERCHE DI
GIOVANI RICERCATORI
CRISTINA SORINO
Lavora per dire addio alle leucemie
infantili
Cristina Sorino lavora per completare il
profilo molecolare della leucemia
linfoblastica acuta, il tumore più diffuso
entro i 14 anni. L'obiettivo è mettere a punto
terapie efficaci anche nei casi che oggi non
rispondono ai farmaci a disposizione
ISABELLA RUSSO
Esplora nuovi bersagli molecolari per
trattare il Parkinson
All’Università di Padova Isabella
Russo studia le mutazioni ricorrenti nei
pazienti affetti da malattia di Parkinson.
L’obiettivo è comprendere i meccanismi
patologici per aprire la strada a nuove
cure
ALBERTO GUALTIERI
Studia strategie per colpire il
rabdomiosarcoma
Si tratta di uno dei tumori solidi tipici
dell’età pediatrica: Alberto Gualtieri è
uno dei ricercatori al lavoro per capirne la
biologia e individuare bersagli per
sviluppare nuove cure
Angelo Cicalese
“Nuove vulnerabilità epigenetiche nelle
metastasi di tumore al seno.”
SILVIA LAURA LOCATELLI
“Identificazione e target terapeutico delle
lesioni epigenetiche associate al Linfoma
Diffuso a Grandi Cellule.”
Mattia Boeri
“MicroRNA nel tumore al polmone: da marcatori
a bersagli terapeutici”
NEWS
Una importante scoperta :”Tumori cerebrali:
Scoperto il meccanismo chiave all’ origine dei
gliomi”
Il laboratorio di Epigenetica delle Cellule Staminali dell’Istituto
Europeo di Oncologia di Milano, diretto dal prof. Giuseppe Testa, ,
ha identificato un meccanismo molecolare alla base della formazione
dei tumori cerebrali più comuni negli adulti. “Questo studio conferma
che l’epigenetica e’ la nuova frontiera della lotta al cancro e di tutta la
Medicina di Precisione,ma ci rivela pure come, anche in tumori
apparentemente simili e causati inizialmente dalle stesse lesioni a livello
del DNA, sia fondamentale identificare sottogruppi che siano
omogenei anche dal punto di vista del loro stato epigenetico, perche’ e’
interferendo a questo livello che si hanno piu’ chance di fare la
differenza
“. La ricerca è stata finanziata da AIRC e WCR ed è stata
pubblicata sulla rivista Nature Communication.
"HUMAN TECHNOPOLE,
ITALY 2040“,UNA SPERANZA
• Italia 2040 "Human Te-chnopole“ è il progetto per il nuovo polo
di ricerca dopo Expo Milano 2015
• E’ un progetto scientifico che promuove un approccio
multidisciplinare e integrato sul tema della salute e
dell'invecchiamento..
. L'obiettivo è rendere l'Italia uno dei Paesi leader mondiale
nell'ambito delle tecnologie umane e della long life
Lo Human Technopole sarà organizzato in 7 Centri: - Medical
Genomics - Neurogenomics - Agri-Food and Nutrition Genomics
- Data Science - Computational Life sciences - Analysis, decision
and Society - Nano Science and Technology e 3 facilities
condivise: - Central Genomics - Imaging - Data Storage and High
Performance Computing
•
BIBLIOGRAFIA E SITOGRAFIA
•
(Cooper, et al., 2011) Cooper, Geoffrey M., La cellula, un approccio molecolare, (III
Edizione italiana sulla V di lingua inglese), Boston, Piccin Libraria S.p.a., 2011
(Encyclopaedia Britannica, 2014) Jean-Baptiste Lamarck
(Epigenetics, 2006) Robin Holliday, Epigenetics: A Historical Overview
(Genome Biology and Evolution, 2014) Epigenetics and the Evolution of Darwin’s
Finches.
(National Institute of Healt) The agouti mouse model: an epigenetic biosensor for
nutritional and environmental alterations on the fetal epigenome
(Paganetto & Aiello, 2013) Paganetto Guglielmo, Aiello Vincenzo, Introduzione
all’epidemiologia epigenetica,Roma, Aracne editrice S.r.l., 2013
(Francesca Cerati - http://24o.it/lblWzw
•
•
•
•
•
•
•
•
Vocabolario Treccani)
•
•
http://www.infodata.ilsole24ore.com/2014/08/25/malattia-subdola-e-di-causaignota-solo-il-10-dei-casi-risulta-da-fattori-di-origine-genetica/
http://www.fondazioneveronesi.it/files/4714/2902/3389/quaderno_grant_2015.p
df
www.airc.it
www.saluteh24.com
•
http://www.ao-sanpaolo.it/news/?id=400
•
