Imprinting Genomico (Rasà, Reddavid, Romano, Russo)

Facoltà di Medicina e Chirurgia
A.A. 2011/2012
Prof.ssa Cinzia Di Pietro
Deborak Rasà
Claudia Reddavid
Sara Romano
Eliana Russo
Il comportamento di un gene non dipende dal
genitore che lo trasmette
UGUALI
PROBABILITA’ DI
TRASMISSIONE
Sino a fine XX sec. Sono state
poche le “eccezioni”.
PROTAGONISTE PRINCIPALI
LE MALATTIE A SINGOLO
GENE
Originariamente si è poco attenzionata l’ipotetica
relazione :
ESPRESSIONE o
INESPRESSIONE
DEL GENE NEL
FIGLIO
Oggi quella che era un’ipotesi si è concretizzata in effettivi
disordini genetici con un’espressione del fenotipo
“condizionata”
SESSO
GENITORE
IMPRINTING
GENOMICO
Dove possiamo trovare l’imprinting?
• Mammiferi placentati
• Mammiferi marsupiali
• Piante da fiore
• Cocciniglie
• Moscerini da fungo
geni specifici
Interi cromosomi
• Tessuti extra-embrionali del topo
X
paterno
• Tutti i tessuti dei marsupiali
Oggi si va alla ricerca di quei caratteri e quelle
condizioni che non seguono l’ereditarietà
secondo Mendel
Questa è una delle più importanti
sfide della genetica contemporanea
Concetto di
IMPRINTING
Valido per fornire una
spiegazione a tante
osservazioni che
contraddicono il modello
mendeliano
Origine del termine
IMPRINTING
KONRAD ZACHARIAS
LORENZ
Il termine Imprinting è stato utilizzato per
descrivere alcune osservazioni sul
comportamento animale.
Lorenz usò questo termine per i suoi studi sulle
prima fasi di vita degli anatroccoli.
Cosa significa Imprinting???
Il termine deriva dal verbo “to imprint”
che significa “imprimere”
Dunque, l’imprinting è il processo che
determina la realizzazione di questa
“impronta”, che, nel caso qui trattato,
avviene nel genoma.
Il termine imprinting genomico è utilizzato in
maniera specifica per indicare che qualcosa accade
durante un periodo “critico o sensibile” dello
sviluppo.
Stadio in cui avviene la formazione delle cellule
germinali.
Fase in cui le informazioni genetiche vengono
“etichettate”.
I geni imprintati sono quasi sempre coinvolti nello
sviluppo fetale.
Imprinting
esempio di
cambiamento
epigenetico.
Cambiamento ereditabile che
non deriva da una mutazione
nella sequenza nucleotidica del
DNA.
Il cromosoma è come un grande
libro ricco di informazioni!!!
Altri esempi di cambiamenti
epigenetici:
•Inattivazione del comosoma X
•Differenziamento cellulare
•Silenziamento dei trasposoni
L’IMPRINTING E’ CAUSATO DA
UN’ALTERAZIONE DELLA CROMATINA
Modificazione covalente delle
citosine, che porta
all’alterazione dell’espressione
del gene stesso e non alla
modifica della sua sequenza
nucleotidica.
• IMPRINTING
MATERNO: viene
silenziato l’allele
materno ed espresso
l’allele paterno
• IMPRINTING
PATERNO: viene
silenziato l’allele
paterno ed espresso
quello materno
EFFETTO
PATERNO
EFFETTO
MATERNO
Nei topi il gene Igf2, che codifica per il fattore di
crescita simile all’insulina 2, è un gene ad effetto
paterno. La mutazione di questo gene porta allo
sviluppo di topi nani.
Se la mutazione viene ad interessare l’allele
materno ciò porta ad un regolare sviluppo del
topino.
Nell’uomo sono stati trovati circa 100 loci sottoposti a
imprinting genomico. Il fatto che un locus sia soggetto ad
imprinting, non significa che anche quello adiacente ne
sia affetto. Può accadere anche che se un locus è soggetto a
imprinting paterno, quello adiacente potrebbe essere
soggetto a imprinting materno, e viceversa.
Esempio di geni umani sottoposti ad imprinting sono il
fattore di crescita insulino-simile 2, ad effetto paterno,
situato sul cromosoma 11, e il gene adiacente H 19,
sottoposto invece ad imprinting paterno.
Un momento critico per la trasmissione dei geni
imprinted è la gametogenesi
L’ovulo e lo spermatozoo devono essere sempre
in grado di trasmettere il loro patrimonio
genico alla progenie
Nelle cellule germinali l’imprinting viene cancellato
e poi ristabilito in base al sesso dell’individuo.
Durante la spermatogenesi viene stabilito un
imprinting paterno, mentre durante l’ovogenesi
viene stabilito imprinting materno.
La figura mostra due topi che hanno un gene soggetto
ad imprinting paterno.
Prima della gametogenesi, l’imprinting viene rimosso per
poi essere reimpostato.
Nell’ovogenesi i due alleli costituenti il gene non
saranno metilati, poiché dovranno essere espressi nel
futuro zigote.
Nella spermatogenesi invece gli alleli verranno metilati
perché dovranno essere silenziati nel futuro zigote.
Al momento della fecondazione gli alleli saranno
ricombinati diversamente rispetto alla prima
generazione in quanto gli alleli hanno origine parentale
diversa.
È il marcatore che distingue due copie di
un gene altrimenti identiche
Ma come questa marcatura rende le cellule somatiche
capaci di “ricordare” l’origine parentale di ciascuna
delle due copie del gene e di regolare la loro
espressione di conseguenza?
GRAZIE ALLA METILAZIONE DELLE
CITOSINE
Da citosina a 5-metilcitosina
Isole CpG: sequenze CG che sono accoppiate
esattamente alle stesse sequenze in orientamento opposto
sull’altro filamento dell’elica di DNA
Nei DNA dei vertebrati una grande frazione delle
citosine nella sequenza CG è metilata
A causa dell’esistenza di un enzima metilante, la
metiltrasferasi di mantenimento (DNMT), una
volta che uno schema di metilazione del DNA è
stato stabilito, ciascun sito di metilazione viene
ereditato dal DNA della progenie
Lo schema di metilazione del filamento parentale è
ereditato immediatamente dopo la replicazione del
DNA
MA…..poco dopo la fecondazione c’è un’onda di
demetilazione che interessa l’intero genoma, quando gran
parte dei gruppi metilici sono perduti.
Nuovi schemi di metilazione sono stabiliti da
parecchie metiltrasferasi de novo che modificano
dinucleotidi CG non metilati
Effetti della metilazione del DNA di
imprinting:
Silenziamento dell’espressione genica
Attivazione dell’espressione genica
Modalità di silenziamento
Metilazione della regione
del promotore o delle sue
sequenze regolatrice
Repertorio di proteine che
si legano a DNA metilato
Interferenza del
legame con proteine
necessarie per l’inizio
della trascrizione
Accesso bloccato a tutte
le proteine compresa la
RNA polimerasi
Modalità di attivazione
IGF2 nel topo
Nel cromosoma materno, la proteina CTCF si lega
all’isolatore, bloccando la comunicazione tra
enhancer e gene Igf2
IMPRINTING MATERNO
Modalità di attivazione
IGF2 nel topo
Nel cromosoma paterno l’isolatore è metilato,
bloccando l’attacco della proteina CTCF e permette
all’enhancer di attivare la trascrizione del gene Igf2
EFFETTO PATERNO
MODIFICAZIONI COVALENTI DEGLI
ISTONI
Acetilazione di lisine
Mono-, di-, trimetilazione di lisine
Fosforilazione di serine
Esse avvengono sulle 8 code degli istoni N-terminali che
sporgono dal nucleosoma
Le code degli istoni possono essere marcate da
combinazioni diverse di modificazioni
Ciascuna marcatura dà un significato specifico al
tratto di cromatina in cui avviene
Si parla di CODICE ISTONICO e del
complesso che “legge e scrive gli istoni”
In questo esempio
schematico le
proteine che
leggono e scrivono
gli istoni, sotto la
direzione di
proteine
regolatrici dei
geni, stabiliscono
una forma
repressiva di
cromatina. Una
DNA metilasi de
novo è attratta dal
lettore degli istoni
e metila citosine
nelle vicinanze,
che a loro volta
sono legate da
proteine che
legano DNA
metilato.
La capacità di una cellula figlia di mantenere una
memoria degli schemi di espressione genica che
erano presenti nella cellula madre è un esempio
di eredità epigenetica
SINDROME DI PRADER-WILLI (PWS)
• Colpisce un bambino su 15000-25000 nati vivi;
• È causata da un’alterazione del cromosoma 15;
• I primi la individuarono nel 1956: Andrea Prader,
Heinrich Willi e Guido Fanconi in Svizzera.
Nel 70 % dei casi c’è una
delezione del braccio lungo
del cromosoma 15 ereditato
dal padre:
mutazione del cromosoma 15
Questi pazienti contengono
solo le informazioni
genetiche della madre
I geni materni sono silenziati perché sotto imprinting
genomico
La regione deleta contiene i geni codificanti per la
proteina Necdin o Necdina, tra i due geni ZNF127 e
SNRPN, che sono soggetti a imprinting
La necdina (NDN), membro della famiglia di geni MAGE
(melanoma-associated antigens), gioca un ruolo nella regolazione del
ciclo cellulare e dell’apoptosi.
E’ presente a livello neuronale dove sembra essenziale per lo sviluppo
degli assoni
L’ esone 1-3 SNRPN upstream reading frame codifica una proteina
di 71 aminoacidi ricca in Arg di funzione non nota.
Il promotore e il primo esone fanno parte del centro dell’imprinting (IC)
La perdita dell’allele paterno dà luogo ai
disordini neurologici dei pazienti affetti da PWS
SINTOMATOLOGIA:
•
•
•
•
•
•
Obesità
Abitudini alimentari eccessive
Mani e piedi piccoli
Bassa statura
Ipogonadismo
Ritardo mentale
Nel 25 % dei casi la sindrome
è causata da disomia
uniparentale materna
Manca il contributo
genetico paterno
SINDROME DI ANGELMAN (AS)
Malattia genetica rara
SINTOMATOLOGIA:
• Facies inusuale
• Bassa statura
• Ritardo mentale severo
• Spasticità
• Convulsioni
CAUSE
Delezione della stessa
regione del cromosoma 15
ereditato dalla madre
Disomia uniparentale del
cromosoma 15 paterno
Manca il contributo genetico materno
Il restante 5 % dei pazienti con AS e PWS sembrano
avere nel centro dell’imprinting:
Errore da imprinting
femminile a maschile
durante la
spermatogenesi
PWS
Errore da imprinting
maschile a
femminile durante
l’oogenesi
AS
L’imprinting come possibile causa di
disordini genetici
Perché l’imprinting debba esistere è un mistero.
Qualunque sia il suo scopo, l’imprinting fornisce una
prova sorprendente del fatto che si possono ereditare
caratteristiche del DNA diverse dalla sua sequenza
nucleotidica.