EPIGENETICA E PICCOLI RNA
Giuseppe Macino
Dip. Biotecnologie Cellulari ed Ematologia
Sapienza Universita’ di Roma
Epi-- = dal greco: oltre
Epi
Oltre la genetica
EPIGENETICA
Lo studio dei cambiamenti ereditabili del
genoma che avvengono senza
cambiamento della sequenza del DNA
GENETICA
•Quello ci ha detto la genomica
Il verme ha 1000 cellule
e 20.000 geni
L’uomo ha centinaia di
migliaia di miliardi di
cellule e 20.000 geni.
Planaria ha milioni
di cellule e 20.000 geni
•Dov’e’ la differenza che ci rende cosi’ diversi?
•Nei livelli di interazione tra i prodotti dei geni
•Ovvero nell’ EPIGENOMA
Nei tanti tipi cellulari dell’uomo il GENOMA E’
IDENTICO, ma le sue cellule sono
estremamente differenti ( neurone, osso,
fegato etc)
In tipi diversi di cellule l’informazione
genetica e’ la stessa ma viene letta in
modo diverso.
Per esempio nelle cellule della pelle solo
l’informazione necessaria per il loro
funzionamento e’ utilizzata ( geni pelle
specifici) .
Tutti gli altri geni sono inutilizzati (silenziati)
Con quali meccanismi avviene il
silenziamento?
Con meccanismi epigenetici
Le cellule umane hanno lo
stesso genoma ma presentano
profili epigenetici distinti.
La modulazione dei profili epigenetici contribuisce
in modo cruciale:
allo sviluppo embrionale, al passaggio da cellula
staminale a cellula programmata,
al differenziamento
e costituisce la capacita’ di integrare i segnali
provenienti dall’ambiente come i nutrienti, i cicli
biologici e atmosferici, lo stress e gli stimoli
ormonali.
Contrariamente alle informazioni
genetiche che sono statiche, quelle
epigenetiche, capaci di modificare
l’espressione dei geni, sono
costantemente variabili.
STRUTTURA DEI CROMOSOMI
MECCANISMI EPIGENETICI
comprendono:
la metilazione del DNA
le modificazioni dinamiche degli istoni
CODICE EPIGENETICO
Esiste percio’, accanto al DNA, un secondo
ordine di codice della vita che va sotto il
nome di codice epigenetico.
MECCANISMI EPIGENETICI:
LA QUINTA BASE!
CITOSINA METILATA
Delle quattro basi di cui è costituito il DNA
(adenina, citosina, guanina e timina ) è la
citosina che, se particolarmente posizionata,
ha la caratteristica di essere facilmente
metilata in presenza di un enzima metilante
( DNA metil-transferasi).
CITOSINA METILATA
ISOLE C-P-G
G-p-C
C-p-G
METILAZIONE PASSATA ALLA
GENERAZIONE SUCCESSIVA
La metilazione della citosina è in
stretta relazione con la formazione
di cromatina “Silenziata”.
La metilazione del DNA induce cambiamenti degli istoni vicini
COSA SONO I NUCLEOSOMI?
CODICE ISTONICO?
CHI MODIFICA GLI ISTONI?
Le proteine che interagiscono con gli istoni sono divise
in tre categorie:
‘writers’( che scrivono), ‘readers’(che leggono) and
‘erasers’( che cancellano).
Le writers includono le chinasi (fosforilano), le HATs
(istone acetiltrasferasi) e HMTs (istone
metil-trasferasi), mentre le ‘erasers’ sono fosfatasi,
HDACs (istone deacetilasi) e DMTs (istone demetilasi).
IL CASO DELL’ACETILE
l’acetilazione produce sui geni
adiacenti azione di attivazione della
trascrizione,
la deacetilazione effetto negativo.
IDENTITA’ CELLULARE
IDENTITA’ CELLULARE
La capacita’ di conservare le informazioni
per lunghi periodi di tempo rappresenta il
‘cuore’ del concetto di identita’ cellulare.
Questa memoria cellulare e’ codificata dalla
specifica espressione di geni che
permettono alla cellula di ‘ricordare’ come,
dove e quando attivare complesse funzioni
durante lo sviluppo ed il differenziamento
CON QUALI MECCANISMI VIENE
MANTENUTA L’IDENTITA’ CELLULARE?
l’informazione epigenetica viene passata dalla cellula
madre alle cellule figlie durante la proliferazione con
conseguente replicazione dei cromosomi
Metilazione del DNA come nota aggiunta per ricordare
che quel gene deve essere trascritto/ non trascritto
anche nelle generazioni successive
Codice istonico per definire con precisione il livello di
trascrizione del gene
Processo dinamico reversibile che puo’ essere regolato
dalle interazioni con l’ambiente
METILAZIONE PASSATA ALLA
GENERAZIONE SUCCESSIVA
I nuovi concetti di epigenetica cominciano a
spiegarci come e’ possibile che gruppi di geni
siano coordinati attraverso delle reti di
funzionamento che li fanno esprimere in modo
differenziale tra cellula e cellula.
Cosi’ con gli stessi geni e’ possibile ottenere
una complessita’di comportamento molto
maggiore.
Silenziamento genico
A. FIRE E C. MELLO.
NOBEL 2006
The “nucleosome/histone code” hypothesis states that
particular epigenetic states are the result of specific
modification of histone tails
CROMOSOMI UMANI
Heterochromatin Repeats in S.pombe centromere
HMT
Swi6
MeK9
MeK9
MeK9
MeK9
H3
HMT
RITS
RdRP
Spreading
L’AMBIENTE HA EFFETTO SUL NOSTRO
EPIGENOMA?
Oggi sappiamo che l’eta’, la dieta, le
infiammazioni, il genere, il
genotipo, le esposizione a farmaci
possono alterare l’epigenoma e
causare malattie, ad esempio il
cancro
GEMELLI MONOZIGOTI (IDENTICI)
GEMELLI MONOZIGOTI (IDENTICI?)
Chromosome regions with differential DNA methylation in young and old monozygous twins. (Image
Copyright (2005) National Academy of Sciences, U.S.A)
Significant DNA methylation changes are indicated as thick red and green blocks in the ideograms. The
SIAMO QUELLO CHE MANGIAMO?
LA DIETA ALTERA L’ESPRESSIONE GENICA?
Studi di laboratorio hanno dimostrato che il tipo di dieta in
gravidanza può influenzare il colore del pelo della
figliolanza del roditore americano Agouti
Esso può avere il pelo bruno, giallo oppure screziato.
Quando la dieta è fatta con un’abbondante aggiunta di
metilanti, come la cobalammina (vitamina B12) o l’acido
folico (vitamina B9), i neonati sviluppano in gran parte il
colore bruno.
I neonati di controllo le cui madri furono alimentate senza
supplemento hanno colore giallo
La loro pelliccia può essere marrone o
gialla, a seconda di come il GENE AGOUTI
viene metilato durante la crescita embrionale..
Gli strumenti epigenetici concorrono non
solo allo sviluppo della forma adulta
dell’organismo ma anche al passaggio dei
caratteri da una generazione all’altra (sono
in qualche modo ereditabili), senza che per
questo ci siano variazioni nella sequenza del
DNA.
MECCANISMI EPIGENETICI ADATTANO LE
PIANTE AI CLIMI VARIABILI
Stress idrico: Nel meristema floreale
vengono metilati i geni che danno
resistenza alla carenza di acqua
Trasmissione alla generazione
successiva di caratteri adattativi
epigeneticamente modificati
L’EPIGENETICA PUO’SPIEGARE LA GRANDE
PLASTICITA’ DEI NEURONI?
Una miriade di funzioni altamente
elaborate hanno luogo in regioni
specializzate del cervello.
Come e’ possibile che ci siano
queste straordinarie differenze di
tipi cellulari, funzioni e connessioni
sinaptiche se in ogni cellula nervosa
c’e’ lo stesso DNA?
I geni neuronali sono controllati da
modificazioni che avvengono sia sul DNA
(metilazione) che sulle proteine della
cromatina (modifiche istoniche).
Questi meccanismi operano nei neuroni, che
ogni momento convertono una grande varieta’
di stimoli in cambiamenti di espressione genica
che durano nel tempo rendendoli capaci di
accumulare informazione.
Modificazioni specifiche mediano lo sviluppo
del cervello del neonato e le funzioni della
memoria e della plasticita’ sinaptica nell’
adulto
UN ESEMPIO DI CURE MATERNE CHE
HANNO EFFETTI EPIGENETICI
L’effetto ‘maternal programming della risposta
allo stress’, in cui i livelli di cure materne
determinano lo stato di metilazione del gene
per i recettori dei glucocorticoidi nel cervello.
Questo determina come l’animale una volta
cresciuto risponderà a questi ormoni che sono
normalmente rilasciati in seguito a stress.
Le modificazioni epigenetiche mediano gli
effetti a lungo termine delle cure materne.
Uno stimolo visivo induce modifiche
post-traduzionali degli istoni
mentre la deprivazione visiva le inibisce
e promuove invece la metilazione del DNA su
geni specifici
La stimolazione luminosa induce veloci cambiamenti degli istoni
2CRE
CRE
-931
Ac
-118
-101
CRE
0
miR212
Me
Ac P-Ac
+273 2
+237
miR132
…..anche l’assenza di stimolazione visiva causa cambiamenti
…..anche
nella struttura del DNA: metilazione della citosina per
specifici geni
Me
Me
Me
Me
Me
LE MODIFICHE EPIGENETICHE DANNO AL
GENOMA UN ALTO LIVELLO DI FLESSIBILITA’
RISPETTO ALLA RELATIVAMENTE FISSA
SEQUENZA DI DNA.
L’informazione epigenetica puo’ essere
passata alle generazioni successive,
generando cosi’ una possibilita’ di
adattamento all’ambiente,
all’ambiente, come la
disponibilita’ di cibo o di condizioni
climatiche,
adattamento che sarebbe troppo lungo
ottenere attraverso mutazioni casuali e
successiva selezione.
DIPENDENZA DA SOSTANZE DI ABUSO (DROGA
ED ALCOOL)
Dipendenza che deriva da modifiche epigenetiche
che si producono nel nucleo accumbens durante
l’assunzione di droghe in modo da far si che il nucleo
risponda sempre di più alla droga e attivi fenomeni di
plasticità sinaptica che portano rendere
fondamentale la richiesta di
droga.
Il nucleo accumbens gioca un ruolo importante
nei meccanismi di rinforzo, nella risata, nella
dipendenza, nell'elaborazione delle sensazioni
di piacere e paura oltre che all'insorgere
dell'effetto placebo
I meccanismi di dipendenza dalle sostanze di abuso
( droghe, incluso l’alcool) coinvolgono una
“memoria” neuronale che consiste in modifiche
epigenetiche di geni importanti per la plasticità
cerebrale in specifiche strutture del cervello
I geni neuronali sono silenziati
Nelle cellule non- neuronali
ALTERAZIONI DEL FUNZIONAMENTO DEI
NEURONI STESSI NELLE PATOLOGIE
NERVOSE.
Un buon numero di disordini neurodegenerativi
e ritardo mentale hanno una base epigenetica.
E’ stato dimostrato che regolatori epigenetici
hanno effetto diretto sul rimodellamento della
cromatina con conseguente alterazione
dell’espressione di geni in diverse patologie
nervose.
