Epigenetica ed
espressione genica
monoallelica
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.
Gene
Cromosoma
Selezione
dell’allele
Geni sottoposti ad
imprinting
Autosomico
Non casuale
Geni dell’X inattivato
X
Casuale
Geni
dell’immunoglobuline
Autosomico
Casuale
Geni del recettore
delle cellule T
Autosomico
Casuale
Geni dei recettori
delle cellule natural
killer
Autosomico
Casuale
Gene
dell’interleuchina 2
Autosomico
Casuale
Espressione monoallelica dei geni di
mammiferi
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.
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
Eredità degli stati di metilazione
Induzione
dell’espresssione
del gene BNIP3
(BCL2/adenovirus
E1B interacting
protein 3)
mediante
trattamento con
5-aza-dC.
Le isole CpG sono protette
dalla metilazione e dalla
Deaminazione.
Le
isole CpG sono piccole regioni di DNA ricche di
CG, lunghe 1-2 kb. Nel genoma umano sono
sparse 50000 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
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
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 Lys16, trimetilazione
di Lys20).
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
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
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
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
+metil-Lys9 H3
Cromosoma 17
+acetil-H3 + metil-H3-H4
Cromosoma 7
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).
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
Inizio e mantenimento stabile
dell’inattivazione del cromosoma X
Profilo di
inattivazione
del
cromosoma X
umano
