Epigenetica - Appunti completi e schematici

CROMATINA

Composizione

La cromatina è l’associazione fra DNA, istoni e proteine.

L’associazione tra DNA e istoni ha in generale un effetto di repressione trascrizionale: gli

istoni devono essere smossi perché l'RNA polimerasi possa prendere contatto con il DNA e

cominciare con il processo di trascrizione.

Interazioni Nucleosoma-DNA

I seguenti fattori hanno la capacità di modulare l’interazione nucleosoma-DNA:

1.​ Varianti istoniche differenti;

2.​ Modifiche covalenti sulle code degli istoni;

3.​ Rimodellamento della cromatina.

1.​ Varianti istoniche

Ogni istone è codificato da più geni. Quest’ ultimi nel corso dell’evoluzione hanno subito

delle modifiche. Difatti, ad esempio abbiamo più versioni dell’istone H3 e H2.

●​ Varianti di H3:

- H3.3: tipico delle regioni trascrizionalmente attive;

- H3: tipico dei centromeri.

●​ Varianti di H2A:

- H2AX: tipico di tratti di DNA che subiscono riparazione o ricombinazione;

- H2A.Z: tipico di geni fortemente espressi;

- Macro H2A: tipico di DNA inattivato.

Quindi varianti istoniche differenti definiscono l’accessibilità o meno del DNA all’apparato

trascrizionale.

2.​ Modificazioni covalenti sulle code degli istoni

Sulle code degli istoni avvengono modificazioni covalenti che consentono l’interazione tra il

nucleosoma con gli istoni modificati e i nucleosomi vicini.

●​ Tipologie di modificazioni:

- Mono-, Di-, Tri- metilazioni a carico di Arginina;

- Acetilazione;

- Ubiquitinazione: per la degradazione delle proteine.

●​ Processo di modificazione: la cellula per modificare covalentemente le code

degli istoni utilizza 3 gruppi di proteine:

- Writers: proteine che modificano chimicamente un’altra proteina aggiungendo

gruppi funzionali (es: le chinasi che aggiungono gruppi fosfato);

- Erasers: proteine che rimuovono le modifiche aggiunte dai writers (es: le fosfatasi

che rimuovono gruppi fosfato);

- Readers: proteine che leggono ciò che il codice istonico riporta.

3.​ Rimodellamento della cromatina

La cellula è anche in grado di modulare la concentrazione locale dei nucleosomi, utilizzando

dei complessi proteici chiamati processi di rimodellamento della cromatina.

I processi di rimodellamento della cromatina sono delle associazioni quaternarie di proteine

che utilizzano ATP e hanno la funzione di separare il DNA dai nucleosomi.

I processi di rimodelllamento della cromatina riducono quindi la concentrazione dei

nucleosomi, aiutando il processo trascrizionale. Inoltre, essi sono anche necessari per la

sostituzione delle varianti istoniche. EPIGENETICA

“La differenza tra genetica ed epigenetica può essere paragonata alla differenza che passa

fra leggere e scrivere un libro.

Una volta scritto il libro, il testo (i geni o le informazioni memorizzate nel DNA) sarà identico

in tutte le copie distribuite al pubblico. Tuttavia, ogni lettore potrà interpretare la trama in

modo leggermente diverso, provare emozioni diverse.

Analogamente l’epigenetica permette interpretazioni diverse di un modello fisso (il libro o il

codice genetico) e può dare luogo a diverse letture, a seconda delle condizioni variabili con

cui il modello viene interrogato”.

cit. Thomas Jenuwein: scienziato tedesco che lavora in campo epigenetico.

MECCANISMI EPIGENETICI

Un meccanismo epigenetico è un meccanismo che non modifica l’informazione scritta nella

sequenza di DNA, dunque non modifica la sequenza nucleotidica ma appone sopra

un’informazione in più.

Le modifiche epigenetiche sono per loro natura ereditabili.

Ad esempio, se una cellula del fegato si divide, darà origine ad altre cellule del fegato, che si

differenzieranno esprimendo dei geni specifici. L’espressione di questi geni ovviamente tiene

conto delle modificazioni epigenetiche del genoma della cellula madre (che adesso è

diventato quella della cellula figlia).

Metilazione del DNA

Di cosa si tratta

La metilazione è un processo chimico che prevede l’aggiunta di un gruppo metile (-CH3).

La metilazione del DNA permette l’aggiunta di questo gruppo metile (-CH3) in posizione 5

dell’anello aromatico che costituisce la citosina. Le citosine metilate sono solo quelle

presenti nel dinucleotide CG indicato come CpG (citosina- legame fosfodiesterico- guanina).

La metilazione causa un silenziamento dei geni, infatti la 5metilcitosina (unione tra citosina e

gruppo metile in posizione 5) è molto presente nei geni altamente ripetuti.

Il dinucleotide CpG è poco rappresentato nel genoma umano ed è anche mal distribuito

infatti ci sono le così dette isole CpG (regioni in cui è elevata la densità di dinucleotidi CG).

Processo metilazione del DNA

Gli enzimi DNA Metiltransferasi operano la metilazione del DNA. Questi si dividono in due

classi:

1.​ DNA metiltransferasi 1: è detta DNA metiltransferasi di mantenimento. Garantisce la

stabilità del processo di metilazione del DNA;

2.​ DNA metiltransferasi 3: è detta DNA metiltransferasi de novo. Opera l’aggiunta di un

gruppo metile laddove il CH3- non è presente ma è necessario. Agisce su entrambe

le emieliche.

Processo demetilazione del DNA

Il processo inverso alla metilazione, la demetilazione, ovvero la rimozione del gruppo metile

in C5 è una modifica reversibile operata da enzimi TET (metilcitosina diossigenasi).

Metilazione del DNA nelle cellule della linea germinale

Durante la formazione delle cellule gametiche e durante il processo di fecondazione e di

sviluppo embrionale, si assiste ai processi di metilazione e demetilazione del DNA.

Nelle cellule della linea germinale, in particolare negli spermatozoi, il DNA è fortemente

compattato (molto metilato).

Successivamente, in seguito al processo di fecondazione, si ha un abbassamento del livello

della metilazione del DNA dello zigote, in particolare si ha la demetilazione del DNA dello

spermatozoo a cui fa seguito una demetilazione di tutto il genoma.

Durante quest’ultima fase di demetilazione generale, gli unici geni che continuano ad essere

metilati sono i geni imprinted.

I geni imprinted sono dei geni che portano un “segno distintivo” a seconda se sono ereditati

dalla madre o dal padre. Questo segno distintivo è proprio una metilazione del DNA. Se

durante il processo di demetilazione generale venissero demetilati anche i geni imprinted, la

cellula non potrebbe più capire se un allele proviene dalla madre o dal padre. Ecco perché i

geni imprinted mantengono la loro metilazione.

Come agisce la metilazione del DNA

Il gruppo metile si inserisce nel solco maggiore della doppia elica andando a variare la

capacità del DNA di legare proteine regolatrici.

Il DNA metilato lega degli enzimi (istonmetiltrasferasi) capaci di metilare le code istoniche

dei nucleosomi. Le code istoniche metilate vengono riconosciute da proteine che

determinano una progressiva condensazione della cromatina.

Ecco perché la metilazione del DNA è un processo che inibisce l’espressione genica.

Deaminazione della citosina e metilazione del DNA

Sappiamo che il processo di deamminazione della citosina trasforma la citosina in uracile.

Tuttavia se a deaminarsi è una citosina metilata (ossia una citosina che appartiene ad

un’isola CpG), essa porterà alla formazione di una timina.

Il sistema di riparo del DNA interviene, ma non è efficiente nel riparare il danno come

quando la sostituzione era stata effettuata con l’uracile.

La timina formatasi farà da stampo per un’adenina e quindi l’appaiamento nella doppia elica

viene perso (CpG si appaiava prima con una sequenza complementare, adesso con la

comparsa della timina invece che della citosina non può più farlo).

Ecco perché in molte regioni del genoma umano le isole CpG vengono perse.

Isole CpG non metilate

Le isole CpG rimaste si sono salvate perché il dinucleotide non era metilato.

Perché in queste regioni le CpG non erano metilate?

Perché quelle sequenze erano da alcune proteine che le rendevano inaccessibili alle

metiltransferasi.

L'insorgenza di alcune patologie (molte anche tumorali) dipende proprio dalla mancanza di

queste proteine che bloccano l’attività delle metiltransferasi e non riescono a proteggere le

isole CpG.

Tutto ciò porta a una ipermetilazione che causa una sregolata espressione genica.

Imprinting Genico

L’imprinting genico è l’espressione differenziale di materiale genetico a seconda se esso sia

trasmesso da un genitore piuttosto che dell’altro.

Ogni individuo infatti riceve un allele materno ed uno paterno e sulla base di recessività o

dominanza lo esprimerà, salvo per i geni che subiscono l’imprinting.

Sono circa 300 i geni imprinted, presenti nei mammiferi, e l’allele imprinted di solito è quello

silenziato.

Negli esseri umani l’imprinting del locus IGF2/H19 è legato alla metilazione del DNA.

1.​ Il gene IGF2 porta all’ espressione di un fattore “insulino simile” ed è coinvolto nello

sviluppo fetale;

2.​ Il gene H19 invece è fondamentale per lo sviluppo del fegato.

Questi 2 geni condividono lo stesso locus, ma sono separati da una regione ICR (imprinting

control region) .

Questa regione è metilata nella linea germinale maschile e demetilata nella linea germinale

femminile.

Dopo la fecondazione:

1.​ Se la cellula eredita l'ICR paterno (dunque la regione metilata) si esprimerà il gene

IGF2 e si spegnerà l'H19 materno.

2.​ Se la cellula eredita l'ICR materno (dunque la regione demetilata) si attiverà l'H19

materno e si silenzierà l'IGF2 paterno.

Questo è un esempio di imprinting materno.

LncRNA

I LncRNA (long non coding RNA) sono dei trascritti con lunghezza di oltre 200 nucleotidi.

I LncRNA sono prodotti dalla RNA polimerasi II e sono normalmente dotati di cap al C5,

poliadenilati e solitamente subiscono anche splicing.

La loro espressione è meno forte rispetto a quella delle sequenze codificanti e possono

essere tessuto-specifiche (espressi solamente da specifici tipi cellulari).

Trascrizione LncRNA

I LncRNA sono classificati sulla base della loro trascrizione:

1.​ LncRNA di senso: trascritti in corrispondenza di loci che già trascrivono per un RNA

codificante;

2.​ LncRNA antisenso: lo stesso locus genico viene trascritto da due promotori differenti,

e uno dei due trascritti funziona da LncRNA;

3.​ LncRNA prodotto da regioni introniche: vengono utilizzati come regolatori

dell’espressione genica;

4.​ LncRNA prodotto da regioni intergeniche: sono prodotti da regioni che non

contengono geni che producon