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L’epigenetica: un mondo da scoprire

Maria Paola Belloni Center For Personalized Medicine dr. Stefano Fortinguerra

Stefano Fortinguerra

6 Maggio 2017

dalle ore 14.30 alle ore 16.00 c/o MAST Museo Arte Sacra Tarquinia via Roma, 11


L’attività dei geni è molto più plastica di

quello che si pensava ed è molto più

flessibile e sensibile agli eventi ambientali

Epigenetica

Cade l’ipotesi che l’attività del codice

genetico di una persona sia immutabile

L’epigenetica indica un determinato assetto

dell’espressione genica che condiziona

l’insieme delle attività della cellula in

risposta agli stimoli ambientali.

Si tratta di un cambiamento adattativo

Epigenetica ed Evoluzione


All’inizio dell’Ottocento, il naturalista Jean-Baptiste Lamarck

pubblicò la sua teoria evoluzionistica.

Egli sosteneva che tutti gli esseri viventi potessero evolvere ma

non riuscì a fornire una spiegazione convincente dei processi

evolutivi.

Jean-Baptiste Lamarck

Ipotizzò che gli adattamenti all’ambiente, acquisiti in vita

mediante l’uso e il disuso delle parti del corpo, fossero

trasmessi alla prole. Le giraffe avrebbero quindi sviluppato

lunghi colli sforzandosi di arrivare alle foglie più alte.

Per molto tempo la sua teoria non venne presa in

considerazione in quanto ritenuta impossibile.

Epigenetica ed Evoluzione


Nel 1859, Charles Darwin pubblicò “L’origine delle specie”,

opera in cui espose la sua teoria evoluzionistica basata sulla

selezione naturale: solo gli individui dotati di caratteristiche

più vantaggiose nella lotta per l’esistenza sopravvivono e si

riproducono.

Charles Darwin

Secondo lui la prima giraffa dal collo lungo nacque così

“per caso” e quel vantaggio sarebbe stato trasmesso alle

generazioni successive.

Anche oggi questa è la teoria ritenuta corretta, sostenta

anche dalla scoperta delle mutazioni genetiche.

da Lamarck all’epigenetica


Grazie all’epigenetica, la teoria di Lamarck è stata rivalutata: essa sembra infatti confermare in

parte la teoria di Lamarck, poiché i segni epigenetici acquisiti sono trasmessi alle cellule figlie.

È possibile che l’epigenoma subisca modifiche a causa

di alcuni fattori come l’ambiente e l’alimentazione;

numerosi studi condotti sull’uomo e su altri

mammiferi sostengono che alcuni cambiamenti

acquisiti vengono trasmessi ai figli. Anche

l’ereditarietà epigenetica potrebbe quindi avere un

ruolo nell’evoluzione delle specie.

Progetto Genoma Umano ed Epigenetica


L’interesse sull’epigenoma si è molto rafforzato a

seguito del “Progetto Genoma Umano” iniziato nel

1990 e terminato nel 2003, che ha permesso di

sequenziare il DNA umano.

Sulla base delle differenze fenotipiche ci si aspettava

di individuare all’incirca 100 mila geni, ma il

Progetto Genoma Umano portò a ridurre il numero a

25 mila (oggi siamo tra i 21 e i 22 mila).

Dopo questi risultati i ricercatori hanno pensato che le differenze

fenotipiche fossero legate sì alle differenze nelle sequenze fra le

basi azotate ma ancora di più al modo in cui queste vengono

espresse, cioè all’epigenoma

Cos’è l’Epigenetica?


L’epigenetica studia l’insieme delle modificazioni delle espressioni dei geni che avvengono senza

cambiamenti nella sequenza del DNA.

Ogni cellula del nostro corpo ha lo stesso DNA eppure una cellula cardiaca è diversa da una cellula

epiteliale

Waterland, Michels, 2007, p. 364

Il mistero è spiegabile con la segnatura epigenetica permanente che, senza cambiare i geni di quella

cellula, che diventerà neurone, o dell’altra, che diventerà un epatocita o una cellula cutanea ne

modula l’espressione genica segnalandone permanentemente il destino

I meccanismi epigenetici, con modalità e stabilità differenti, intervengono in diversi contesti, o

meglio in tutte le fasi della vita: dalla formazione dello zigote (ovulo fecondato) allo sviluppo

dell’embrione fino alla vita dell’organismo sviluppato

Identico DNA ma fenotipi diversi


Le varie cellule «leggono» diversamente il genoma,

proprio come in un’orchestra in cui ogni strumento

interpreta lo spartito. Ciascun strumento suona la

partitura, esprimendo di volta in volta suoni diversi. Le

note sono identiche, ma i suoni cambiano.

Allo stesso modo, il DNA resta uguale, ma in ogni cellula si esprimono geni diversi.

La loro espressione non è immutabile: può essere modificata

in risposta a diversi stimoli e questi cambiamenti possono

passare da cellula a cellula attraverso la mitosi.

Cos’è l’Epigenetica?


L’epigenetica studia quindi i cambiamenti cellulari senza mutazioni genetiche, che possono

essere reversibili o irreversibili, ereditabili o non ereditabili. Laddove per cambiamenti

ereditabili occorre intendere quelli trasmissibili alle cellule figlie

L’epigenetica studia l’insieme delle modificazioni delle espressioni dei geni che avvengono senza

cambiamenti nella sequenza del DNA e che possono essere ereditabili. Sweatt, Meaney, Nestler, Akbarian, 2013, cap. 1

Modificazioni ereditabili

Eredità di tipo mitotico

Eredità di tipo meiotico o transgenerazionale

Com’è fatta una cellula?


Ogni cellula è in grado di

assumere nutrienti, di convertirli

in energia, di svolgere funzioni

specializzate e di riprodursi se

necessario. Per fare ciò, ogni

cellula contiene al suo interno

tutte le informazioni necessarie.

Nelle cellule è presente il DNA.

Organizzazione del genoma


Il genoma è organizzato in 44

cromosomi più 2 sessuali situati nel

nucleo della cellula.

I cromosomi sono strutture di varia

grandezza che compattano assieme

DNA e proteine, istoniche e non

istoniche

Accanto a questo materiale genetico nucleare, la cellula dispone di altre informazioni genetiche

contenute nel DNA dei mitocondri, piccoli organelli citoplasmatici con un proprio DNA a forma

circolare, che svolgono funzioni metaboliche fondamentali.

I mitocondri sono di origine esclusivamente materna

DNA


Il DNA è fatto di due filamenti che si avvolgono

l’uno all’altro a formare una doppia elica in senso

destrorso e antiparallelo.

Ciascun filamento è costituito da unità elementari

chiamate nucleotidi, composti da uno zucchero, da

un gruppo fosfato e da una base

Le basi stanno all’interno della doppia elica,

mentre lo zucchero e il fosfato costituiscono

l’impalcatura esterna.

I legami dell’impalcatura sono forti (legame

fosfodiesterico), quelli che uniscono le basi dei

due filamenti sono invece più deboli (legame

fosforico

Impacchettamento


Le proteine istoniche, piccole proteine basiche

ricche di arginina e lisina, si raggruppano a

formare un nucleo, un rocchetto attorno al quale

si avvolge il filamento di DNA.

Questa unità di base va a compattarsi

ulteriormente tramite pezzi di DNA chiamati

linker e una proteina istonica chiamata H1

Attività del DNA


Su uno dei due filamenti del DNA viene a

stamparsi una molecola di RNA, dalla quale

verranno poi costruite le sequenze degli

aminoacidi che daranno origine alle proteine

Maturazione RNA


Il gene viene trascritto in pre-RNA (trascritto primario) che trascrive la sequenza, composta da aree

codificanti e non codificanti. Successivamente, l’RNA eliminerà le sequenze non codificanti (introni)e

unirà le sequenze codificanti (esoni), trasformandosi in RNA maturo pronto per il montaggio degli

aminoacidi. Questo processo di maturazione si chiama splicing.

Lo splicing può avere più direzioni, a seconda del montaggio delle diverse sequenze codificanti.

Quindi a partire dalla stessa sequenza di DNA, a seconda del tipo di splicing che si realizza, e cioè di

selezione degli esoni, si possono avere diversi RNA messaggero e quindi diverse proteine.

Il dogma di Crick «un gene una proteina» è crollato

Meccanismi epigenetici


Come ogni direttore di orchestra indica ai musicisti come

vuole che sia suonata una sinfonia, così l’epigenoma

aggiunge «note» chimiche al DNA, e queste determinano

se quel gene si esprimerà molto o poco, se sarà attivo o

inattivo.

Al momento attuale, tre sono i meccanismi di

regolazione epigenetica identificati:

• La metilazione del DNA

• Il rimodellamento della cromatina tramite la

marcatura degli istoni (modificazioni chimiche degli

istoni)

• La produzione e l’azione di specifici microRNA

DNA non metilato…


DNA metilato…


E se ci sono errori nella metilazione?


Negli ultimi anni, l’epigenoma è diventato uno dei principali oggetti di studio della medicina

perché modifiche epigenetiche causano gravi danni che possono portare al malfunzionamento di

strutture essenziali.

Infatti un errato livello di metilazione porta a problemi come l’invecchiamento precoce o

all’insorgenza di malattie quali tumori, patologie correlate all’età, patologie neurodegenerative

e diabete di tipo 2. Per questo l’analisi dei livelli di ipo- e iper- metilazione del DNA potrebbe

rappresentare un importante indicatore sia nella diagnosi che nella prevenzione

Gli istoni


Il DNA è avvolto intorno a proteine chiamate

istoni. Il maggiore o minore livello di

impacchettamento del DNA a livello dei

nucleosomi controlla i livelli di trascrizione

genica. In condizioni di ridotta attivazione, si

genera una configurazione nucleosomica chiusa,

che impedisce il legame dei fattori di

trascrizione.

Il passaggio a una configurazione più aperta dipende da modifiche chimiche come l’acetilazione

e facilita l’accesso ai fattori di trascrizione.

Quando gli istoni vengono modificati…


I diversi geni possono o meno essere esposti e quindi essere espressi

microRNA


Alcuni anni fa sono stati identificati piccoli

RNA: i microRNA e i long non-coding RNA.

Queste molecole non codificano per una proteina, ma al contrario hanno funzioni regolative sui

geni e possono favorirne comportamenti oncosoppressori. Su queste molecole si è rafforzata

negli ultimi anni la ricerca epigenetica.

È una prospettiva aperta da poco che attrae molte risorse per le sue potenzialità, sia in campo

diagnostico che in campo terapeutico.

Il compito dei microRNA è essenzialmente quello

di interferire con l’attività genica bloccando i

mRNA e quindi impedendo la sintesi proteica


I geni maggiormente suscettibili alle modifiche epigenetiche

sono coinvolti principalmente nel controllo dei seguenti

processi:

Risposta allo stress

Stress ossidativo

Danno del DNA

Risposta infiammatoria

Metabolismo energetico

Turnover proteico


Ambiente

Fumo

Stress

Attività fisica

Alimentazione

Shift work

Cosa può influenzare il DNA?


Parenting before conception


Disturbi metabolici

Cancro

Disturbi comportamentali

Disturbi del SNC

Epigenetica e Malattie


At least two main scientific evolutions in the last 20 years have given a major contribution towards unveiling and

understanding the complexity of biological events: the simultaneous detection of entire molecular families in a given

biological system, and the bioinformatics capability of collecting, classifying, networking and visualizing unexpectedly

large sets of data. This has totally changed our approach to any biological field. The new paradigm requires a more global,

holistic view, where the focus backtracks from single molecular interactions, to envision gradually the entire biological

system, seen as a set of intermingled networks, allowing a more comprehensive view of what’s behind the effect in its

dynamic, plural and three-dimensional context (molecules-targets, targets-pathways, pathways-effect), and its capability to

affect health and disease.

The systems biology world of “omics” techniques


Fase I. Stima del rischio di malattia effettuata

utilizzando il sequenziamento del genoma intero,

analizzando il rischio associando l’insieme delle

varianti con la storia medica del paziente.

Fase II. Profilatura dinamica di ciascun paziente

utilizzando una serie di tecnologie omiche in grado

di caratterizzare stati fisiologici multipli.

Fase III. Le centinaia di informazioni raccolte in

fase II vengono integrate e analizzate, usando

modelli di calcolo in grado di correlare e

classificare le risposte, confrontando i risultati

ottenuti con le pathway presenti in vari database.

Le analisi ipop potranno essere usate per sviluppare

una predittività individuale in modelli in silico per

ciascun paziente, oltre a valutare il rischio e

monitorare l'efficacia e la tossicità dei farmaci


Ph. Elena Besco

Personalizzazione delle cure

Conclusioni

L’epigenetica permette di adottare un nuovo

approccio terapeutico per le diverse

patologie.

Tuttavia, allo stato attuale si stanno testando

farmaci che modificano la metilazione dei

geni in modo generalizzato, senza agire in

maniera specifica su quelli che causano la

patologia

Al momento pochi sono stati approvati e

altri sono in fase di sperimentazione clinica


References


Soluzioni: favorire lo sviluppo di relazioni

Il più importante strumento di miglioramento è

la cooperazione tra professionisti, allo scopo di

superare le tradizionali barriere che tendono a

frammentare i processi di cura.

Donald Berwick

La frammentazione delle cure è la causa

principale dell’inefficienza dei nostri caparbi

sforzi di migliorare l’assistenza.

K C Stange Ann Int Med 2009

I sistemi traggono origine dalle relazioni tra le parti

È una vera fortuna

che il buco sia

dall’altra parte.


Grazie per l’attenzione

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