10 EPIGENETICA

Epigenetica

Le cellule di un organismo contengono tutte lo stesso identico DNA, ma non tutte esprimono i geni allo stesso modo. In una cellula differenziata, solo il 10-20% dei geni è attivo (cioè è trascritto in RNA); il resto è inattivo. Questo vuol dire che, nei diversi tipi cellulari, alcuni geni devono essere accesi mentre altri devono essere spenti in modo differente.

La diversa espressione dei geni nei diversi tipi cellulari non dipende da cambiamenti nella sequenza del DNA ma da una diversa condensazione della cromatina. Le modifiche che si verificano a livello cromatinico e che permettono, quindi, la diversa condensazione della cromatina, si dicono modifiche epigenetiche.

Le modifiche epigenetiche possono essere ereditabili, quindi stabili e trasmesse alle generazioni future, ma l’aspetto più rilevante è che sono dinamiche e cambiano velocemente in risposta agli stimoli ambientali. A tal proposito sono stati condotti degli studi sui topi per conoscere l’effetto delle abitudini alimentari materne sui processi epigenetici.

Studi sui topi

L’esperimento in questione prevedeva che due topi femmina agouti (cioè con un pelo di colore giallo-ocra) e con identico DNA, fossero cresciuti con diete diverse: una con un regime alimentare equilibrato, l’altra con una dieta ricca di gruppi metili. Nel secondo caso si è osservato un diverso colore del pelo, a causa della metilazione in punti diversi del gene responsabile del tipico colore giallo-ocra di questa specie. Inoltre, anche la taglia dei due esemplari era molto diversa, con l’agouti dalla dieta ricca in metili di dimensioni molto ridotte.

Principali modifiche epigenetiche

Per accendere o spegnere i geni vengono messe in atto tre principali modifiche epigenetiche, quali:

• La metilazione del DNA;
• Le modifiche della cromatina;
• Gli RNA non codificanti.

Metilazione del DNA

La metilazione del DNA è la modifica epigenetica più studiata, e consiste nell’aggiunta di un gruppo metile (CH₃) solitamente al nucleotide citosina, ed in particolare ai nucleotidi citosina localizzati nelle regioni del DNA, dette promotori, a cui dovrà legarsi l’RNA polimerasi per iniziare la trascrizione. Solitamente, la citosina che viene metilata fa parte del di-nucleotide CpG. Cioè all’interno delle regioni del DNA, chiamate promotori, sono frequenti i di-nucleotidi CpG, che tendono a raggrupparsi a formare le cosiddette CpG island (o isole CpG), la quale citosina viene metilata.

Questa modifica avviene, tra l’altro, a livello della citosina solo quando si trova al 5’ della guanina. La metilazione del DNA è diretta da proteine specifiche dette DNA metilasi (o DNA metiltransferasi). Questa modifica epigenetica è associata alla repressione trascrizionale di un gene; quindi, quando è presente, impedisce il legame della RNA polimerasi al DNA, la produzione dell’RNA corrispondente e di conseguenza l’espressione del gene (e, quindi, il gene sarà inattivo).

Questo tipo di modifica si verifica nello cellule allo stadio di blastocisti quando si presentano due cromosomi X e uno dei due deve essere inattivato. Esistono, tuttavia, enzimi che sono in grado di rimuovere il gruppo metilico e riportare il gene in uno stato attivo. Quindi, la metilazione del DNA, come tutte le modifiche epigenetiche, è reversibile. Questi enzimi, che permettono la de-metilazione, intervengono nell’uovo fecondato per permettergli di accendere tutti i geni richiesti per produrre i diversi tipi cellulari che andranno a formare l’organismo.

Cioè, significa che le cellule uovo prendono vita da ovociti primari che hanno un corredo cromosomico diploide e sono, quindi, dotati di due cromosomi X, di cui uno inattivo. Attraverso l’ovogenesi si formeranno quattro cellule: tre globuli polari secondari e una cellula uovo. Quest’ultima potrebbe ereditare l’X inattivo. Tuttavia, nel momento in cui avviene l’inserimento del pronucleo maschile nel citoplasma della cellula uovo, nel nucleo di quest’ultima avverrà la de-metilazione che permette la riattivazione del cromosoma X.

Imprinting genomico

Alcune metilazioni del DNA non sono però rimosse e vengono ereditate nelle generazioni successive. Questo fenomeno, definito imprinting genomico, è impiegato per segnalare la provenienza parentale del gene. Normalmente, si hanno due copie funzionali di ogni gene, dette alleli: una deriva dalla madre e una dal padre ed entrambe le copie possono esprimersi durante lo sviluppo embrionale. Questo non succede nei geni che subiscono imprinting, il quale non altera la sequenza del gene ma solo la sua espressione.

Un gene è sottoposto a imprinting materno quando è inibita selettivamente l’espressione dell’allele materno ed è espresso solo l’allele paterno. Viceversa, nell’imprinting paterno è represso l’allele di origine paterna e viene quindi espressa solo la copia materna del gene.

Sequenziamento con bisolfito

Per studiare la metilazione e quindi per capire se una determinata regione di interesse è ipermetilata, ad esempio, si può procedere con un sequenziamento con bisolfito. Se si utilizzasse il normale sequenziamento di Sanger, ad esempio, non si riuscirebbe a discriminare tra citosine non metilate e citosine metilate, perché in corrispondenza sia dell’una che dell’altra tipologia di citosina verrebbe incorporata una guanina nel filamento di nuova sintesi.