Biologia molecolare

Il ruolo dell'epigenetica nell'influenza dell'ambiente sulla vita

La ricerca ha dimostrato che l'epigenetica è influenzata dall'ambiente e dalle esperienze di vita. I processi epigenetici includono la metilazione del DNA, le modificazioni post-traduzionali degli istoni e i non-coding RNA. L'epigenetica rappresenta un insieme di meccanismi che costituiscono un codice che viene scritto, trasmesso e letto, senza mai essere cancellato.

Il codice genetico si basa sul DNA che viene trasmesso alle cellule figlie grazie all'enzima DNA polimerasi. Chi interpreta e legge il codice genetico sono principalmente i ribosomi, con l'aiuto dell'RNA polimerasi. Non esistono enzimi che volontariamente cambiano o distruggono il genoma, poiché ciò comporterebbe la perdita di informazione genetica.

Il codice epigenetico è formato da enzimi che lo tramandano (writer), proteine che lo leggono (reader) e enzimi eraser che possono modificare il codice in modo controllato.

Che non venga più tramandato in quel modo (non cancellato, modificato). Per natura il "codice" epigenetico è molto più flessibile di quello genetico (mai cambiato volutamente, solo per errori). Metilazione del DNA del genoma catalizzata dall'enzima è una modificazione post replicativa DNA metiltransferasi (writer).

Coinvolge negli eucarioti solo la citosina aggiungendo un gruppo metile in posizione 5 5-metilcitosina. Metilazione in CG avviene solo sulle C seguite da G. In realtà esiste anche la metilazione su altri nucleotidi ma molto meno abbondante, metilazione in CH. La metilazione in CH è più tipica in cellule neuronali e nelle cellule staminali. Nelle altre cellule è presente quella in CG.

CG metilate nel nostro genoma sono circa 60/90% dei CG presenti, il nostro genoma è globalmente metilato. Il nostro genoma non ha un dinucleotide CG ogni 16 come ci si aspettava, 5 volte minore.

Ogni 100 dinucleotidi. La citosina può andare incontro a deaminazione spontanea, perde un gruppo amminico e si converte in uracile. QuestoU. L'uracile non è una base del DNA e i sistemi di riparazione agiscono riportando una C. Quando→periodicamente, Cla C è metilata può andare incontro a deaminazione spontanea portando però una timina che fa parte del nostroprobabilmente nell'evoluzione abbiamo perso molti→DNA e raramente viene riconosciuta come errore (perciò lasciataCG proprio perché la T non rimodificata).hanno una frequenza da 10 a 40 volte maggiore dell'atteso.Le transizioni C-T →Fenomeno importante dal punto di vista evolutivo e per la salute avviene costantemente, molte malattie sonocaratterizzate da queste mutazioni. Molte si verificano a livello dello sperma perché incredibilmente metilato.I mammiferi sono caratterizzati da uno specifico pattern di metilazione che si mantiene inalterato

DNA. Questo dimostra che la metilazione del DNA è fondamentale per la sopravvivenza delle cellule staminali. Inoltre, è stato dimostrato che la metilazione del DNA gioca un ruolo importante nell'attivazione o nella repressione dei geni durante lo sviluppo embrionale. Ad esempio, alcuni geni sono silenziati dalla metilazione del DNA nella linea germinale, mentre sono attivi nelle cellule somatiche. In conclusione, la metilazione del DNA è un processo essenziale per la regolazione dell'espressione genica e per il corretto sviluppo degli organismi. La sua alterazione può portare a gravi conseguenze, come malattie genetiche o anomalie dello sviluppo.DNA. → →Prese staminali e si prova a differenziarle in vitro vanno incontro ad apoptosi la metilazione del DNA serve per differenziamento cellulare.Il 70-80% delle citosine dei dinucleotidi sono metilati, in genere i geni tessuto specifici non espressi sono metilati→(espressi demetilati).La metilazione in CG la si ritrova a livello delle sequenze regolative non nei geni costitutivi ma nei geni differenzialmente a regolare l'espressione genica espressi. Quindi serve e avviene prevalentemente sulle citosine seguite da guanina.Studi di metilomica, il nostro genoma viene metilato in CG (no CpG islands che generalmente non sono metilate, molto più elevate dell'atteso, +regioni del genoma lunghe da 500-2000 bp che hanno un contenuto di C seguite da G di 1/16. Non metilati altrimenti con evoluzione li avremmo persi. Siti di binding, usate per identificare la posizione di un gene). →Lollipop bianco non metilato.→Nero (gradazione) metilato.La metilazione siritrova principalmente nelle regioni intergeniche e nelle sequenze ripetute, nei trasposoni, negli elementi LINE e SINE. Avviene quindi a livello di elementi che sono stati parassiti per il nostro genoma, quindi si è evoluta come meccanismo di difesa per silenziarli. Potenzialmente si cerca di tenerli spenti perché fonti di mutazioni. L'inattivazione del cromosoma X → controlla l'espressione dei geni soggetti ad imprinting → controlla l'espressione di molti → reprime promotori; la trascrizione di elementi ripetitivi e l'attivazione di elementi trasponibili mantenendo l'integrità del nostro → reprime genoma. La metilazione del DNA è altamente regolata durante lo sviluppo: il genoma dell'oocita è ipometilato. Si ha un'onda di demetilazione dopo la fecondazione e poi di rimetilazione. Il pattern di metilazione è molto dinamico nell'embriogenesi → prima di raggiungere il pattern somatico.

Il pattern di modificazione del nostro genoma non è stabile. Durante l'embriogenesi, il genoma paterno è demetilato attivamente, mentre quello materno passivamente. Quando la cellula si divide, è emimetilata. Può subire ora 2 destini:

1. Non viene metilato, producendo un filamento emimetilato e uno non metilato, poi uno emimetilato e 3 non metilati. Demetilasi.
2. DNA emimetilato, dove interviene una metilasi di mantenimento (avviene nella maggior parte dei casi). I writers della metilazione (DNMT = DNA metiltransferasi): (espressa in tutti i tessuti, poco abbondante in cellule che si dividono), considerata come l'enzima responsabile del mantenimento del pattern di metilazione durante la replicazione (in vitro sa metilare del DNA non metilato). Spesso è overespressa nei tumori, dove forse è dotata anche di attività de novo. Topi knock out muoiono 10 giorni dopo il concepimento. Metilasi di mantenimento DNA metiltransferasi.

che garantisce 90/95% ma non attiva durante embriogenesi.- DNMT3a e 3b (attività de novo, topi KO muoiono a 4 settimane di vita o 9,5 giorni dopo il concepimento). Sono 2 DNA metiltransferasi de novo (metilano un DNA non metilato) che agiscono su cellule staminali durante sviluppo precoce. (Esiste anche idrossi-metilcitosina) Due funzioni principali della metilazione del DNA: dell'espressione genica, → inibizione dell'integrità genomica attraverso l'inattivazione → mantenimento di sequenze parassite quali i trasposoni e il DNA dei provirus. Come viene inibita l'espressione genica? o Meccanismo diretto: simulando la struttura del DNA metilato e non, il gruppo metilico sporge dal solco maggiore del DNA, i fattori trascrizionali agiscono prevalentemente lì. Inibita perché il gruppo metilico trascrizionale non si può infilare. → Prova con saggi di ritardo elettroforetico (proteina a contattocon il suo pezzo di DNA e si vede se corsa rallentata) molti fattori trascrizionali non si legano ma: A volte si legano lo stesso anche con il sito metilato nonostante il gene sia spento. I siti di legame dei fattori trascrizionali sono di 8-10 bp ma un CG è presente una volta ogni 100 bp. Spesso i promotori non sono metilati su siti di binding canonici. non bastava o non corretto il modello. o Secondo modello, introduce concetto di readers, metilazione forse inibisce la trascrizione con meccanismo indiretto, se il promotore è metilato viene riconosciuto da proteine che si legano al DNA non per sequenza ma perché metilato, metil binding protein. Se si legano loro non si può legare il fattore trascrizionale per competizione. La metilazione recluta dei lettori che bloccano il legame con i fattori trascrizionali. Purificarono le metil binding protein (di solito ubiquitinamente espresse nei tessuti somatici). MeCP2 è la prima trovata e capita. Causa

La sindrome di Rett è la prima malattia epigenetica riconosciuta. È un fattore nucleare abbondante, considerato ubiquitario e presente in modo particolare nei neuroni. Ha una regione chiamata MBD (metil binding domain) che si lega al DNA se questo ha almeno una citosina metilata. Inoltre, ha una regione chiamata TRD (trascriptional repressive domain) che reprime la trascrizione se portata artificialmente sul DNA.

L'epigenetica si rinforza da sola: le proteine come MeCP2 e altre metil binding proteins interagiscono tra loro per formare dell'eterocromatina e inattivare la cromatina. Queste proteine stabiliscono interazioni tra la metilazione del DNA, le modificazioni degli istoni e l'organizzazione della cromatina.

La metilazione del DNA può indurre patologie attraverso tre meccanismi fondamentali:

1. Danni al DNA che inducono tumori e malattie ereditarie.
2. Errato silenziamento dell'espressione genica che può causare sindromi genetiche diverse dal cancro.
3. Silenziamento scorretto di specifici geni.

(cancro).Tumori dovuti a mutazioni genetiche ed epigenetiche. Pattern modificato. Ipometilazione (evento molto precoce nei tumori, avviene a livello delle sequenze ripetute, LINE, trasposoni… porta a instabilità genomica) e poi si ha un'ipermetilazione (dei geni soppressori dei tumori, freni). LEZIONE 21 Codice genetico e sintesi proteica Il codice genetico è il meccanismo mediante il quale l'informazione contenuta nella sequenza nucleotidica dell'mRNA viene usata per generare le sequenze amminoacidiche delle proteine. È uno dei processi più conservati negli organismi durante l'evoluzione. La sintesi proteica attiva usa l'80% del bilancio energetico. Ha un elevato dispendio energetico (in E. coli in crescita meccanismo che permette di vedere i giochi d'incastro tra le molecole, serve l'azione coordinata di più di 100 proteine. Ci