Le nuove frontiere della biologia 2009:
"L'epigenetica questa sconosciuta”
18 marzo 2009
Il Genoma a ”n” Dimensioni:
Regolazione e Funzione dell’Organizzazione Nucleare
Beatrice Bodega e Valerio Orlando
Dulbecco Telethon Institute
IRCSS Fondazione Santa Lucia at EBRI - Roma
Epigenetica
Conrad Waddington,1942: Epigenetica: epigenesi + genetica
“The branch of Biology which studies the causal interactions
genes and their products, bringing the phenotype into being”
Epigenesi
Aristotele (384-322 a.c.)
“The development of individual organic form from the unformed”
Definizione corrente di Epigenetica
S’intende qualsiasi diversità fenotipica che non sia correlata a differenze
genotipiche; in sintesi: tutto ciò che concerne meccanisimi di ereditarietà
nei quali l’informazione genetica non è limitata alla sequenza del DNA.
I meccanismi epigenetici sono la base per comprendere la relazione tra
organismo e ambiente e influenzano il modo con cui i geni vengono
espressi
Comprendere questi meccanismi rappresenta una delle
frontiere della biologia
Dogma Centrale della Biologia
DNA
RNA
PROTEINA
Epigenetica
1 ggcggggcgc ggcgggggcg gcgctttgtg tgcagcagtg agccggggtc gggcggcggc
atggaggagc tgagcagcgt gggcgagcag gtcttcgccg
121 ccgagtgcat
cctgagcaag cggctccgca agggcaagct ggagtacctg gtcaagtggc
181
gcggctggtc
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aacagctggg
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agaaggaggt
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aagagaggcaagagacccag
gggcaggccg aggaaacaca cagtcacatc ctcctgcagc cggcgctcca
361
agctcaagga
accagatgcg
ccatccaaat
ccaaatccag
cagttcgtcc
tcttcctcca
421
catcttcctc
ctcttcctcg
gacgaagagg
aagacgacag
cgacctagac
tccaagaggcccccgggg ccgtgaaacc catccagtgc ctcagaaaaa agcccagatc ctggtagcca
541 agccagagct gaaggatccc attagaaaga aacggggacg caagcctcta cccccagaac
601 agaaggcagc tcggagaccc gtcagcctgg ccaaggtgct aaagaccacc aggaaggatc
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841 gctccatcgt acactacatg aaccgcatga gccagagtca ggttcaggct tggcactcaa
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aaagtgaggacgcagaaggg
gggtgagcta ggggggagcc ccgcaggagg caaggtcccg aaggcccccg
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gtggcggagc
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cagagaggga
accattcggg
gagcccaggt
gctcagctggcacccactca
ggagttgagc
cttcaggtcc
ttgacttgca
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aacggtgtgc
ctggtgtggg
cctgcttgct
cgccatgccc
cagccaaggc
tattcctgct
accaacccag
1201 ccacagggaa aggtcctggg agcggcccca caggagcaaa
catgaccaac gctcccacag
1261 acaacaacaa aggggaaaag ctgacttgca
aggcaacggc
tctgcctgccagcgggacac
cgttaaaagc
gtcgctgcct
ccggcgggca
ggagggccac
gagaaggccg
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gcgctgtctg
agctgagcac
gggagaggag
aatagtagct
1441 ctgactcgga ccctgactcg acctcgcttc ccagtgctgc
gcagaaccta tctgtagcta
1501 tccagaccag ccaggactgg aaacctaccc
gcagtctcat cgaacacgtc tttgtcacgg
1561 atgtcacagc caacctcatc
actgtcaccg tgaaggagtc gcccaccagc gtgggcttct tcaacttgag gcattattga
Sequenza di DNA
……nelmezzodelcammindinostravitamiritrovaiperunaselvaoscurachéladirittaviaerasmarrita…
“Nel mezzo del cammin di nostra vita
mi ritrovai per una selva oscura,
ché la diritta via era smarrita.”
Dante Alighieri La Divina Commedia
Usare gli origami per spiegare l’epigenetica
(N. Brockdorff, Oxford UK)
1 genoma
“n” epigenomi
Tutte le cellule di un organismo sono uguali perché hanno lo stesso genoma
Tuttavia, differiscono l’una dall’altra perché hanno un epigenoma diverso
Differenziamento
Cellula
staminale
Mantenimento
Omeostasi
Plasticità
Epigenoma
Organizzazione 2D dell’informazione genetica
Organizzazione 3D dell’informazione genetica
Organizzazione e dimensione del genoma
Doppia elica
e codice genetico
2 nm
Nucleosoma
11 nm
Solenoide
30 nm
Fibra di cromatina
300 nm
Cromosoma
1400 nm
Organizzazione spaziale del genoma nel tempo
Interfase
5 ore
7 ore
Metafase
1 ora
3 ore
Organizzazione spaziale del genoma in interfase
Topologia nucleare
interfasica ed architettura
genomica
Organizzazione spaziale del genoma in interfase
Territori cromosomici
L’architettura Nucleare influenza le Funzioni Nucleari
Lanctot 2007, Nature
I Territori Cromosomici Occupano Posizioni
Probabilistiche e non Assolute nel Nucleo
L’architettura genomica deve essere interpretata alla luce della sua natura
dinamica (cioè la mobilità cromatinica)
IN ALTRE PAROLE: L’ESATTA LOCALIZZAZIONE SPAZIALE DI UNA
PORZIONE GENOMICA POTREBBE NON ESSERE IMPORTANTE QUANTO IL
TEMPO IN CUI RIMANE IN QUELLA POSIZIONE
Lanctot 2007, Nature
Mobilità della Cromatina
Locus genico 1
Locus genico 1
Compartimento di
repressione
trascrizionale
Locus genico 2
Compartimento di
attivazione
trascrizionale
Locus genico 2
Lanctot 2007, Nature
Mobilità della Cromatina
nucleo
+
territorio
cromosomico
eterocromatina
La mobilità dei singoli filamenti di
cromatina
varia
rispetto
alla
specie, al tipo cellulare e allo
stadio differenziativo
complessità
eucromatina
All’interno
dei
compartimenti
subcromosomici,
i
segmenti
cromatinici
possono
subire
protrusioni
o
invaginazioni
risultanti in mobilità cromatinica
(ANSE DI CROMATINA o LOOP
CROMATINICI)
_
La regolazione dell’espressione
genica
viene
intesa
in
più
dimensioni
nucleo
La Regolazione dell’espressione genica
è multi-dimensionale
territorio
cromosomico
eucromatina
eterocromatina
REGOLAZIONE MONO-DIMENSIONALE
Elementi regolatori linearmente contigui al gene
da esprimere
E
P
Gene
nucleo
territorio
cromosomico
eucromatina
eterocromatina
REGOLAZIONE BI-DIMENSIONALE
Sequenze contigue ma distanti possono avere
effetto sulla regolazione di un gene (Looping - Scanning model)
L
P
Gene
nucleo
territorio
cromosomico
REGOLAZIONE TRI-DIMENSIONALE
eucromatina
eterocromatina
A
B
Stimolo
A
B
Geni localizzati su cromosomi diversi
possono essere espressi o meno rispetto
a
quale
regione
occupano
eterocromatina/eucromatina
REGOLAZIONE QUADRI-DIMENSIONALE
nucleo
AB
territorio
cromosomico
eucromatina
eterocromatina
Stimolo
A B
Geni localizzati su cromosomi diversi
possono essere co-regolati nello stesso
“loop cromatinico”
nucleo
+
Livelli dell’Epigenoma
ORGANIZZAZIONE NUCLEARE
territorio
cromosomico
eterocromatina
TOPOLOGIA DEI DOMINI CROMATINICI
MOBILITA’ NUCLEOSOMICA
complessità
eucromatina
_
MODIFICAZIONI ISTONICHE
METILAZIONE DEL DNA
Il nucleosoma come unità strutturale dell’Epigenoma
H2A tail
H2B tail
H3 tail
H4 tail
Codice Istonico
Differenti combinazioni di gruppi funzionali aggiunti alle code
istoniche creano specifici segnali per attrarre o respingere complessi
multiproteici deputati alla regolazione dell’espressione dei geni
Esempi di complessi proteici coinvolti nella regolazione epigenetica
Regolazione Epigenetica Integrata
Più complessi proteici agiscono insieme in modo coordinato
Mobilità nucleosomica
rimodellamento
Compartimentalizzazione dei processi nucleari
TRASCRIZIONE
REPLICAZIONE
RIPARO DEL DNA
Regolazione dell’Espressione dei Geni nei Loops cromatinici
Fraser P. and Bickmore W. Nature 2007 Geni localizzati in domini diversi possono venire co-regolati mediante
l’interazione tra anse di cromatina
Gene Kissing e Attivazione Trascrizionale
Territori cromosomici
TRASCRIPTION FACTORIES e foci ricchi in RNA PolII
Gene Kissing e Repressione Trascrizionale
Territori cromosomici
COMPLESSI DI REPRESSIONE (i.e. polycomb)
Chromosome or Gene Kissing
la Co-localizzazione spazio-temporale di loci genici appartenenti a
differenti cromosomi o a siti lontani sullo stesso cromosoma rappresenta
un esempio dell’organizzazione tridimensionale del genoma Lanzuolo 2007, Nat Cell Biol
Tecnologie per studiare l’organizzazione
tridimensionale del nucleo
Combinando tecnologie di biochimica e biologia molecolare e cellulare
con approcci di imaging avanzata tridimensionale e quadridimensionale
(spazio-tempo) si può studiare l’architettura genomica di una cellula
3C TECHNOLOGY - Chromosome capture conformation ha una
risoluzione di analisi che supera di gran lunga quella dei microscopi ottici
convenzionali
DNA e RNA 3D-FISH è invece fondamentale per valutare la variabilità
inter-individuale della popolazione cellulare e per poter discriminare tra i
due alleli all’interno di una singola cellula
Measuring cis/trans interactions in vivo by Chromosome
Conformation Capture (3C) technology
Epigenetica e Regolazione dei Geni
• INATTIVAZIONE DEL CROMOSOMA X
• DETERMINAZIONE DEL SESSO
• IMPRINTING GENOMICO
• DIFFERENZIAMENTO CELLULARE
• MEMORIA CELLULARE
Epigenetica e Ambiente
Proc Natl Acad Sci U S A. 2005 Jul 26;102(30):10604-9. Epub 2005 Jul 11.
Epigenetic differences arise during the lifetime
of monozygotic twins
Fraga MF, Ballestar E, Paz MF, Ropero S, Setien F, Ballestar ML, Heine-Suñer D,
Cigudosa JC, Urioste M, Benitez J, Boix-Chornet M, Sanchez-Aguilera A, Ling C,
Carlsson E, Poulsen P, Vaag A, Stephan Z, Spector TD, Wu YZ, Plass C, Esteller M.
Epigenetica e Malattie
Prader-Willy and Angelman syndromes
Fragile X syndrome
Rett syndrome
…
Tutte hanno in comune difetti nei geni che controllano i meccanismi
epigenetici (e.g Methyl binding proteins, DNA-methyl transferases,
Chromatin remodeling factors)
Anche i tumori hanno basi epigenetiche consistenti (Alterazioni globali
della metilazione del DNA)
Epigenetica e Variabilità Inter-individuale
Quanto conta la variabilità nell’organizzazione tridimensionale
del genoma per comprendere la variabilità esistente tra ciascuno
di noi?
• Predisposizione alle malattie
• Polimorfismi Epigenetici
Il futuro della biologia nell’epigenetica
Perdere la Memoria per guadagnare una nuova vita
2001 Space Odissey, (S. Kubrick)
Controllare/modificare il livello epigenetico
Per permettere alla cellula di riscrivere la propria storia
Il futuro della biologia nell’epigenetica
TERAPIA CELLULARE
Riprogrammare cellule tumorali per farne regredire le caratteristiche di
aggressivita’
Riprogrammare cellule specializzate per consentire la rigenerazione dei
tessuti
Il futuro della biologia nell’epigenetica
Il futuro della biologia nell’epigenetica
I GENI IN RETE
Studiare e capire il genoma in termini di complessita’ e dinamicità,
utilizzando i moderni approcci di genomica e System Biology e quindi
poter prevedere meglio come funziona.
• Identificare i codici molecolari che operano sopra (epi) il DNA
• Identificare tali codici su tutto il genoma
• Identificare le molecole che controllano il livello epigenetico
(enzimi, RNA non codificanti)
Il futuro della biologia nell’epigenetica
APPLICARE QUESTE CONOSCENZE PER:
• Sviluppare strategie terapeutiche nuove che sfruttino il potenziale
di plasticita’ intrinseco del genoma.
• Sviluppare farmaci che agiscono sulla rete in cui operano i geni e
non sul singolo gene
• Agire in totale sicurezza per il paziente. http://www.epigenome.org/
http://www.epigenome-noe.net/
http://www.nature.com/nature/supplements/insights/epigenetics/index.html
http://nihroadmap.nih.gov/epigenomics/
a
b
http://www.epigenome.org/
http://www.epigenome-noe.net/
http://www.nature.com/nature/supplements/insights/epigenetics/index.html
http://nihroadmap.nih.gov/epigenomics/
