Psicobiologia della resilienza e della vulnerabilità

NESTLER: “NON E’ SOLO IL GENOTIPO A DETERMINARE UN FENOTIPO

PIU’ O MENO VULNERABILE VERSO I FATTORI DI RISCHIO AMBIENTALI,

MA ANCHE L’AMBIENTE STESSO”

... L’ambiente stesso in assenza di fattori di rischio genetici modificando la

trascrivibilità genica può creare un fenotipo a rischio che soccomberà ad

una successiva esperienza ambientale avversa (differenza tra l’essere

geneticamente e vulnerabili e l’essere diventati vulnerabili a seguito di

un’esperienza avversa)… Quindi l’ambiente soprattutto precoce può

modificare il fenotipo rendendolo vulnerabile a partire da un genotipo che

non lo è.

I meccanismi epigenetici possono mediare cambiamenti stabili nella

funzione dei circuiti nervosi in risposta all’ambiente e in questo modo

possono modificare in maniera stabile e duratura il funzionamento del

circuito stesso quindi è una forma di plasticità (infatti è un meccanismo di

mantenimento nei meccanismi di plasticità sinaptica).

L’EPIGENETICA nasce 40 anni fa dallo studio dei meccanismi di sviluppo

neurale, per capire come specifiche caratteristiche di popolazioni cellulari

possano essere ereditate anche se non c’è nessun cambiamento nella

sequenza del DNA. Per capire in che modo a parità di genotipo si

producevano tipi cellulari completamente differenti sono stati studiati i

meccanismi di controllo della trascrivibilità genetica e quindi sono venuti

fuori i fattori epigenetici che sono trasmissibili. Questi studi hanno

identificato un insieme relativamente ristretto di modifiche alla cromatina

che possono aumentare o ridurre la probabilità di trascrizione e questi

meccanismi sono trasmissibili da una cellula madre a una figlia; quindi

non ci sono solo metodi di trasmissione legati a mutazioni geniche che poi

eredito, ma ci sono metodi di trasmissione del fenotipo che sono legati a

specifici meccanismi epigenetici.

I meccanismi epigenetici funzionano anche nelle cellule nervose, siccome

queste, a eccezione delle cellule dell’ippocampo, sono tutte post mitotiche

e non si divideranno mai più, questi meccanismi sono molto stabili.

Quali sono i meccanismi epigenetici?

Cosa sono in relazione anche alla modificabilità ovviamente del sistema

nervoso? Metafora di waddington (slide 3): partendo da un punto

comune, lo stesso DNA, ogni cellula può imboccare destini diversi a

seconda dei fattori che incontra e quindi ci devono essere dei meccanismi

che sostengono questi cambiamenti progressivi. I meccanismi epigenetici

sono numerosi ma ci concentreremo soprattutto su due di essi.

Definizione di meccanismo epigenetico qualunque meccanismo che



possa modificare l’espressione genica (probabilità di un gene di essere

trascritto) senza variazioni nella sequenza del DNA. Quindi aggiungo

qualcosa al DNA ma non nella sequenza, che rimane la stessa. Questi

meccanismi sono importanti perché regolano la probabilità che gli enzimi

di trascrizione attracchino e trascrivano un gene, quindi regolano

l’espressione genica (tenendo presente che il gene è all’interno di una

stringa di DNA che si chiama cromatina).

Figura slide 3: vediamo un esempio di stringa di DNA avvolta intorno alle

proteine istoniche (paragonato a un filo con un rocchetto, DNA=filo,

proteine=rocchetto) ogni quadrupletta di proteine istoniche è un

rocchetto, all’interno del cromosoma la lunga molecola del DNA è avvolta

intorno a tanti rocchetti: se questi sono uno appiccicato all’altro, quindi la

cromatina è compatta, è molto difficile per gli enzimi di trascrizione

attraccare al DNA e trascriverlo, se invece i rocchetti sono più distanziati

allora per gli enzimi di trascrizione è più facile. Quando un enzima

attracca lo fa in un sito specifico che riconosce, si lega e inizia a

trascrivere; se a questo sito io appiccico una coda di metile l’enzima di

trascrizione quando arriva non riesce ad attraccare e quindi non trascrive

il gene.

Queste sono le due principali modifiche di cui parleremo: una riguarda la

compattazione della cromatina, quanto i rocchetti istonici sono vicini uno

all’altro, che è regolato principalmente da modifiche a carico delle

proteine istoniche; mentre l’attracco diretto è legato alla presenza o meno

di gruppi metile, se ci sono l’enzima non attracca. Quindi:

1. DNA metilato (non trascrivibile) o non metilato (potenzialmente

trascrivibile).

2. Modifiche delle proteine istoniche.

La metilazione può avvenire solo in punti precisi del DNA che sono ricchi

di citosine e di guanine: se non sono metilate l’enzima attracca e il gene

viene trascritto, se sono metilate l’enzima non attracca e il gene non

viene trascritto. Qui (slide 3/4)si vede l’effetto della modifica che regola

l’impacchettamento dei rocchetti istonici: qui i rocchetti sono ben

distanziati quindi la cromatina è distesa (eucromatina) allora l’enzima di

trascrizione, se il DNA non è metilato, attracca bene e trascrive il DNA;

invece quando i rocchetti sono tutti appiccicati l’uno all’altro gli enzimi di

trascrizione non possono attraccare e il DNA non viene trascritto. Chi è

che regola se i rocchetti istonici sono ben distanziati o impacchettati?

L’aggiunta di gruppi acetile alle proteine istoniche.

Acetilazione/deacetilazione degli istoni: quando le proteine istoniche sono

acetilate->la cromatina è distesa->i rocchetti sono distanti->gli enzimi di

trascrizione possono attraccare->il gene può essere trascritto. Quando le

proteine istoniche sono deacetilate i rocchetti sono impacchettati->la



trascrizione è meno probabile. Metilazione del DNA: se il tratto di DNA

ricco di citosine e guanine è metilato quel gene è poco o per nulla

trascrivibile, se invece non è metilato è potenzialmente trascrivibile.

Una cromatina compatta con DNA altamente metilato corrisponde a un

gene represso, che non verrà trascritto più, quindi è un’azione a lungo

termine che durante il differenziamento cellulare indirizza le cellule verso

il loro diverso destino; se la cromatina è parzialmente distesa e il DNA è

poco metilato allora la probabilità di trascrizione sarà bassa ma non

assente; se la cromatina è distesa e il DNA completamente non metilato

allora quella parte del genoma è altamente trascrivibile. Quindi non è o

trascrivibile o non trascrivibile ma è un continuum che va da per nulla

trascrivibile (gene represso, gene spento) a gene altamente trascrivibile,

dosando la metilazione del DNA e la compattazione della cromatina.

Tabella slide 4 riporta esempi di disturbi legati a difetti genetici di geni

coinvolti in meccanismi epigenetici: chi è che metila il DNA? Gli enzimi

metil-transferasi, se questi non funzionano o funzionano male il DNA non

viene correttamente metilato=>un difetto genico influenza un

meccanismo epigenetico. Chi è che acetila gli istoni? Gli enzimi istoni-

acetilasi. Chi è che deacetila gli istoni? Gli enzimi istoni-deacetilasi; se il

gene di questi enzimi è mutato, questi funzioneranno male e quindi i

meccanismi epigenetici saranno compromessi.

4 sindromi che sono legate a difetti genetici ma l’effetto del difetto

genetico è una compromissione dei meccanismi epigenetici:

1. Sindrome X fragile sindrome dovuta alla mutazione di un gene

che si chiama fmr1, ad un silenziamento di questo gene=

silenziamento epigenetico ovvero viene talmente metilato da non

essere mai più trascrivibile; ma perché viene così metilato? Perché

c’è un difetto che è una ripetizione progressiva, un allungamento

progressivo di una ripetizione di triplette di nucleotidi che quando

superano le 200 ripetizioni portano la metilazione del gene quindi il

gene viene represso e si manifesta la sindrome.

2. Sindrome di Rettc’è la mutazione di un gene (meCP2) che

partecipa alla metilazione del DNA, quindi un gene mutato controlla

meccanismi epigenetici.

In entrambi i casi è una sindrome ben caratterizzata con un

fenotipo molto caratteristico. [le altre sindromi non importano].

Esempio di regolazione epigenetica della trascrizione di un gene, il gene

del BDNF: lo possiamo trascrivere se i fattori di trascrizione attraccano

sul DNA richiamano gli enzimi di trascrizione che copiano il DNA, quindi

se non c’è metilazione del DNA e la cromatina è distesa. L’effetto

dell’esperienza sulla trascrivibilità di questo gene può essere deviato per

es. dall’attività elettrica, quindi dall’esperienza, attraverso meccanismi a

secondo messaggero: per es. un enzima, una protein-chinasi come la

pka, che va a modificare la probabilità dell’enzima di trascrizione di

attraccare, il gene non viene trascritto. Oppure dall’attività patologica

legata per es. anche all’assunzione di sostanze d’abuso come la cocaina

che attraverso una via diversa va a metilare il DNA e quindi rende il gene

non trascrivibile. Sono quindi molti i meccanismi attraverso i quali

l’esperienza in senso lato, attraverso l’attività elettrica, o l’esperienza

anche intesa come assunzione di sostanze può modificare la trascrivibilità

di un gene sia agendo sugli istoni che agendo sulla metilazione del DNA.

L’epigenetica quindi ci da una serie di fattori che possiamo combinare

graduando la trascrivibilità di un gene. E’ la scienza che studia la

presenza di modifiche epigenetiche a carico degli istoni e a carico del

DNA tenendo presente che il risultato finale è un gioco tra quelli che

facilitano la trascrizione, la scrittura (per es. le istoni acetilasi) e il gioco

contrario di quelli che per es. impacchettano la cromatina rendendo più

difficile la trascrizione. Se c’è una molecola che acetila ce n’è un’altra che

deacetila, se c’è una molecola che metila ce n’è un’altra che demetila

quindi potenzialmente i meccanismi epigenetici sono reversibili ma

durante lo sviluppo, durante il differenziamento assumono la

caratteristica di non reversibilità. (scrittori, quelli che facilitano, e

mantenitori, quelli che ostacolano).

Ci interessa l’epigenetica nel sistema nervoso perché partecipa ai

meccanismi di plasticità neurale, ci interessa il fatto che l’esperienza può

modificare il funzionamento dei circuiti neurali attraverso meccanismi

epigenetici [per es. una sostanza d’abuso o una modifica dell’attività

elettrica può arrivare (esempio gene bdnf) a rendere la cromatina meno

compatta,