Al di là della genetica

L’epigenetica è l’insieme dei meccanismi che controllano la trascrizione dell’informazione codificata nella sequenza del DNA in RNA, prima della traduzione in proteine; tali meccanismi agiscono essenzialmente modificando la struttura del materiale genetico (la cromatina) senza alterare la sequenza dei nucleotidi.¹ Questa definizione ben si attaglia al significato etimologico della parola epigenetica: ciò che sta “al di là” della genetica, cioè “al di sopra” della sequenza del DNA che, nell’interpretazione corrente, ne è la rappresentazione.

Il termine fu usato per la prima volta negli anni Quaranta da Conrad Waddington, embriologo e genetista inglese, per indicare «la branca della biologia che studia le interazioni causali tra geni e loro prodotti nel produrre il fenotipo» e che definì epigenetic landscape l’insieme dei meccanismi attraverso cui le cellule embrionali di uno stesso organismo reagiscono ai diversi stimoli a cui sono sottoposte per differenziarsi in organi e tessuti. Nell’epigenetic landscape era insito il concetto cardine dell’epigenetica, così come la intendiamo oggi: l’ambiente intra e extra cellulare, ivi compresa la posizione che le cellule embrionali occupano nelle prime fasi dello sviluppo, è responsabile della trasformazione della cellula da embrionale a differenziata, con forma e funzioni proprie; tradotto in linguaggio odierno, l’ambiente esterno alla sequenza nucleotidica del DNA induce modifiche alla sua struttura (la cromatina) che hanno l’effetto di cambiare il profilo di espressione genica di quella sequenza nucleotidica; tale effetto è trasmissibile alle cellule figlie. Per ambiente esterno si intende il micro ambiente nucleare e citoplasmatico che però è influenzato dal macro ambiente determinato dallo stile di vita, dalla nutrizione, dall’inquinamento, dalle esposizioni lavorative, eccetera.

Un punto che deve essere subito chiaro a chi legge è che le modificazioni epigenetiche fanno parte del normale processo di funzionamento delle cellule. Come abbiamo già accennato, il processo di differenziazione cellulare, che avviene durante lo sviluppo embrionale e si conclude poco prima della nascita, è guidato da continue modificazioni epigenetiche: cellule con lo stesso genotipo si trasformano in cellule con profili di espressione genica differenti e quindi con funzioni cellulari diverse, trasmissibili mitoticamente. L’ambiente intrauterino (anche stimolato dallo stile di vita materno) funge da ulteriore trigger indirizzando l’ontogenesi embrionale in una fase in cui il materiale genetico è particolarmente duttile. Con la stessa ottica possiamo guardare alle fasi di accrescimento, di mantenimento e di invecchiamento, dove però le modificazioni epigenetiche diventano in gran parte tessuto specifiche, consentendo una fisiologica espressione genica che è anche funzione dell’età biologica dell’individuo. La nostra macchina biologica riceve e fa proprie sollecitazioni esterne e risponde per lo più in maniera adeguata, mantenendo sotto controllo il proprio funzionamento. Quando il controllo sfugge, vuoi perché la sollecitazione esterna è troppo importante, o la macchina comincia a perdere i pezzi per usura, o per semplice effetto del caso, lo scenario cambia e si può innescare il percorso patologico. Percorso patologico che può però essere anche reversibile.

Figura 1: Modificazioni epigenetiche

Ma quali sono questi meccanismi molecolari che modificano la struttura della cromatina?

Quelli finora noti e meglio studiati sono le modificazioni degli istoni, la metilazione del DNA e le azioni dei microRNA. Questi meccanismi sembrano essere strettamente connessi; mancano però ancora parecchi elementi che consentano una maggiore comprensione sia dei singoli processi sia della loro interazione.

Modificazione degli istoni.

Sono quelle che più palesemente hanno un effetto sulla struttura della cromatina. Gli istoni sono infatti proteine che si associano al DNA per formare la cromatina, materiale di cui sono fatti i cromosomi. In particolare gli istoni H2A, H2B, H3 e H4 sono proteine organizzate in ottameri intorno ai quali si avvolge una porzione di doppia elica di DNA per costituire il nucleosoma, unità strutturale della cromatina. Una quinta proteina istonica, l’H1, fa da “collante” fra due nucleosomi adiacenti garantendo un ulteriore impacchettamento del DNA. Le modificazioni consistono in aggiunte o in sottrazioni di gruppi acetile (COCH3),metile (CH3), fosfato (PO4) eccetera alle code amino-terminali degli istoni sporgenti dal nucleosoma. Le modificazioni sono mediate da numerosi e specifici enzimi come istone acetiltransferasi (HAT), istone deacetilasi (HDAC), istone metiltransferasi (HMT) eccetera. L’ acetilazione e la metilazione riducono l’affinità degli istoni per il DNA, la cromatina quindi assume una conformazione più aperta ed è funzionalmente attiva; la deacetilazione e la demetilazione al contrario condensano la cromatina rendendola trascrizionalmente inattiva. L’effetto finale è quello di influenzare la trascrizione del DNA, non solo attraverso il grado di compattamento della cromatina, ma anche, come vedremo, mediante l’interazione con enzimi fattori o repressori della trascrizione.

Video di Chromatin, Histones & Cathepsin

Metilazione del DNA.

È la modificazione epigenetica meglio conosciuta e più studiata, anche grazie a tecniche di laboratorio di facile applicabilità e ormai consolidate.² Lungo il genoma, distribuite in modo disomogeneo, si trovano sequenze dinucleotidiche Citosina-Guanina (denominate CpG, dove p è la molecola di fosfato che lega le due basi per formare insieme allo zucchero desossiribosio l’ossatura esterna del DNA) che sono il target del processo di metilazione del DNA. Le zone di DNA con un’elevata densità di siti CpG sono chiamate «isole CpG e sono localizzate generalmente nelle regioni regolatorie di geni costitutivi (housekeeping) e di geni con espressione tessuto specifica».

La metilazione consiste nella aggiunta di un gruppo metile alla citosina delle isole CpG a opera della famiglia di enzimi DNA metiltransferasi (DNMTs). La famiglia delle DNMTs comprende principalmente due tipi di enzimi: la DNMT1 che riconosce in modo specifico i siti di metilazione in un emi-filamento di DNA e li copia sul filamento figlio durante la replicazione, garantendo la fedeltà nel profilo di metilazione durante lamitosi; le DNMT3a e 3b che sono implicate invece nellametilazione “de novo” che avviene durante lo sviluppo embrionale e la differenziazione cellulare. Il grado dimetilazione delle isole CpG della regione regolatoria di un gene è associato ai livelli di trascrizione di quel gene: l’ipometilazione favorisce in genere un aumento dell’espressione genica, mentre l’ipermetilazione si associa al silenziamento dei geni (il contrario di quello che succede nella metilazione degli istoni). Esiste naturalmente anche una variabilità genetica tra gli individui che riguarda la densità dei siti CpG, e che quindi influenza i potenziali livelli di metilazione, con conseguente effetto sulle attività regolatorie dei geni di riferimento.^3,4

MicroRNA (miRNA). Sono molecole di RNA di circa 20-22 nucleotidi, che fanno parte della più ampia categoria dei piccoli RNA non codificanti (cioè non traducibili in proteine). Le funzioni dei miRNA sono molteplici. Regolano post-trascrizionalmente l’espressione di alcuni geni inibendo la traduzione degli RNA messaggeri (mRNA) in proteine, fissandosi parzialmente a essi oppure inducendone la rapida degradazione. Alcuni enzimi bersaglio dei miRNA sono quelli deputati alla metilazione del DNA e alle modificazioni degli istoni, a significare che l’intero congegno di controllo della regolazione epigenetica vede l’azione concertata di tutti i meccanismi che abbiamo considerato. I miRNA agiscono anche a livello della cromatina fissandosi direttamente sul DNA e determinandone il silenziamento mediante, per esempio, i meccanismi dell’imprinting e dell’inattivazione del cromosoma X. I miRNA sono la classe più abbondante di molecole regolatorie nelle cellule e vengono a loro volta codificati da geni che rappresentano almeno l’1% del genoma (sono quindi molecole endogene). L’espressione dei miRNA è modulata nel corso del differenziamento cellulare e dello sviluppo, come pure durante i processi di patogenesi. Nella categoria dei piccoli RNA non codificanti ci sono anche gli small interfering RNA (siRNA), molecole di origine non endogena (virus, trasposoni, farmaci,eccetera) costituiti da sequenze di 21 nucleotidi perfettamente complementari agli mRNA target specifici per impedirne la traduzione.^5,6

In questo primo mini-articolo della rubrica abbiamo illustrato le caratteristiche generali delle modificazioni epigenetiche. Nel prossimo numero di E&P discuteremo in senso generale le possibili applicazioni delle misure epigenetiche nel framework degli studi epidemiologici. Infine, negli articoli successivi, esamineremo il ruolo svolto dalla regolazione epigenetica in alcuni processi fisiologici (sviluppo embrionale, invecchiamento) e patologici (tumori, asma, diabete). 

Bibliografia

1. Goldberg AD, Allis CD, Bernstein E. Epigenetics: A Landscape Takes Shape. Cell 2007;128:635-638
2. Darst RP, Pardo CE, Ai L, Brown KD, Kladde MP. Bisulfite Sequencing of DNA. Curr Protoc Mol Biol 2010; CHAPTER: Unit–7.917.
3. Collas P, Noer A, Sørensen AL. Epigenetic Basis for the Differentiation Potential of Mesenchymal and Embryonic StemCells. TransfusMed Hemother 2008;35:205-215.
4. Foley DL, Craig JM, Morley R, Olsson CJ, Dwyer T, Smith K and Saffery R. Prospects for Epigenetic Epidemiology. Am J Epidemiol 2009;169:389–400.
5. Bernstein E, Allis CD. RNAmeets chromatin. Genes&Development 2005;19:1635-55. 6. Suzuki K and Kelleher AD. Transcriptional regulation by promoter targeted RNAs. Curr Top Med Chem 2009;9:1079-1087. 7. Relton CL, Smith GD.Epigenetic Epidemiology of Common Complex Disease: Prospects for Prediction, Prevention, and Treatment. PLoS Medicine 2010; 7 Issue 10 e1000356.