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Manuale di epigenetica
La nuova genetica molecolare e medica
Città Trygve Tollefsbol
Stampa accademica
Diritto d'autore © 2011 Elsevier Inc.
Tutti i diritti riservati.
ISBN: 978-0-12-375710-4
Capitolo primo
Epigenetica: la nuova scienza della genetica
Trygve O. Tollefsbol
INTRODUZIONE
Il termine epigenetica è stato introdotto per la prima volta nel 1942 da Conrad Waddington ed è stato definito come le interazioni causali tra i geni e i loro prodotti che consentono l'espressione fenotipica. Questo termine è stato ora in qualche modo ridefinito e sebbene ci siano molte varianti della definizione di questo termine oggi, una definizione di consenso è che l'epigenetica è i cambiamenti ereditari collettivi nel fenotipo dovuti a processi che sorgono indipendentemente dalla sequenza primaria del DNA. Per molti anni si è pensato che questa ereditabilità delle informazioni epigenetiche fosse limitata alle divisioni cellulari. Tuttavia, è ormai evidente che i processi epigenetici possono essere trasferiti negli organismi da una generazione all'altra. Questo fenomeno è stato descritto per la prima volta nelle piante ed è stato ampliato per includere lieviti, Drosophila, topi e, forse, esseri umani.
LE BASI DELLA METILAZIONE DEL DNA E LE MODIFICAZIONI DEGLI ISTONI
Nella maggior parte degli eucarioti la metilazione del DNA, il più studiato dei processi epigenetici, consiste nel trasferimento di una frazione metilica dalla S-adenosilmetionina (SAM) alla posizione 5 delle citosine in alcuni dinucleotidi CpG. Questa importante reazione di trasferimento è catalizzata dalle DNA metiltransferasi (DNMT). I tre principali DNMT sono DNMT1, 3A e 3B e DNMT1 catalizza quella che viene definita metilazione di mantenimento che si verifica durante ogni replicazione cellulare quando il DNA viene duplicato. Gli altri principali DNMT, 3A e 3B, sono più noti per il loro valore relativamente più altoAncoraattività di metilazione in cui nuove 5-metilcitosine vengono introdotte nel genoma in siti che non erano stati precedentemente metilati. L'aspetto più significativo della metilazione del DNA, che può anche influenzare processi come l'inattivazione del cromosoma X e la differenziazione cellulare, sono i suoi effetti sull'espressione genica. In generale, più una regione di regolazione genica è metilata, più è probabile che l'attività genica venga sottoregolata e viceversa, sebbene vi siano alcune notevoli eccezioni a questo dogma. Il capitolo 2 di questo libro passa in rassegna i meccanismi della metilazione del DNA, del riconoscimento metil-CpG e della demetilazione nei mammiferi. I recenti progressi hanno evidenziato ruoli importanti di UHRF1 e DNMT3L necessari per la manutenzione eAncorametilazione, rispettivamente, e la potenziale inclusione di 5-idrossimetilcitosina con 5-metilcitosina nell'esprimere l'impatto della metilazione del DNA sul genoma.
I cambiamenti della cromatina sono un altro processo epigenetico centrale che ha un impatto non solo sull'espressione genica, ma anche su molti altri processi biologici. Le modifiche post-traduzionali degli istoni come l'acetilazione e la metilazione si verificano in un modo specifico del sito che influenza il legame e le attività di altre proteine che influenzano la regolazione genica. Le istone acetiltransferasi (HAT) catalizzano l'acetilazione dell'istone e le istone deacetilasi (HDAC) provocano la rimozione dei gruppi acetilici dagli istoni chiave che costituiscono la cromatina. Queste modificazioni possono verificarsi in numerosi porcili negli istoni e sono più comuni nelle regioni amminoterminali di queste proteine, come esaminato nel Capitolo 3. In generale, l'aumentata acetilazione dell'istone è associata a una maggiore attività genica e viceversa. Al contrario, la metilazione degli istoni ha effetti variabili sull'attività genica in cui la metilazione della lisina 4 (K4) dell'istone H3 è spesso associata all'aumento dell'attività genica mentre la metilazione della lisina 9 (K9) dell'istone H3 può portare alla repressione trascrizionale. Esiste anche una notevole diafonia tra la metilazione del DNA e le modifiche dell'istone [9] tale che la metilazione della citosina può aumentare la probabilità di metilazione H3-K9 e la metilazione H3-K9 può promuovere la metilazione della citosina.
PROCESSI EPIGENETIC AGGIUNTIVI
Tra i progressi più entusiasmanti dell'epigenetica ci sono state le scoperte che molti altri processi oltre alla metilazione del DNA e alle modificazioni degli istoni influiscono sul comportamento epigenetico delle cellule. Ad esempio, l'RNA non codificante (capitolo 4), comprese le forme sia corte che lunghe, spesso condividono componenti proteici e di RNA con la via dell'interferenza dell'RNA (RNAi) e possono anche influenzare aspetti più tradizionali dell'epigenetica come la metilazione del DNA e la marcatura della cromatina. Questi effetti sembrano essere diffusi e si verificano in organismi che vanno dai protisti agli esseri umani. I prioni sono affascinanti in quanto possono influenzare i processi epigenetici indipendenti dal DNA e dalla cromatina. Nel capitolo 5 viene mostrato che l'ereditarietà strutturale è importante anche nell'espressione epigenetica in cui stati alternativi di complessi macromolecolari o reti regolatorie possono avere un effetto importante sull'espressione fenotipica indipendentemente dai cambiamenti nelle sequenze del DNA. Le proteine prioniche sono in grado di cambiare la loro struttura in modo autocatalitico che può non solo influenzare l'espressione epigenetica, ma anche portare a malattie umane. Anche la posizione di un gene in un dato cromosoma può influenzare notevolmente la sua espressione (capitolo 6). Dopo il riarrangiamento, un gene può essere riposizionato in una regione eterocromatica del genoma portando al silenziamento genico e sono stati descritti molti altri effetti di posizione genica, alcuni dei quali possono anche portare a varie malattie umane. I meccanismi Polycomb sono un altro aspetto relativamente nuovo dell'epigenetica che controlla tutti i principali percorsi di differenziazione cellulare e sono anche coinvolti nel destino cellulare. La repressione di Polycomb è molto dinamica e può essere facilmente invertita dagli attivatori e alzano anche la soglia dei segnali o degli attivatori richiesti per l'attivazione trascrizionale che colloca queste affascinanti proteine all'interno del regno dei processi epigenetici (Capitolo 7). Pertanto, sebbene la metilazione del DNA e le modifiche dell'istone siano i pilastri dell'epigenetica, i recenti progressi hanno notevolmente ampliato il mondo epigenetico per includere molti altri processi come RNA non codificante, prioni, effetti di posizione cromosomica e meccanismi Polycomb.
TECNOLOGIA EPIGENETICA
Molti dei progressi nell'epigenetica che hanno guidato questo campo negli ultimi due decenni possono essere ricondotti alle scoperte tecnologiche che hanno reso possibili le numerose scoperte. Ora disponiamo di una grande quantità di informazioni sui principali cambiamenti epigenetici specifici del gene che si verificano in una miriade di processi biologici. Nel capitolo 8 vengono esaminate le tecniche gene-specifiche per determinare la metilazione del DNA. Questi metodi includono il sequenziamento del bisolfito, la PCR specifica per la metilazione (MSP) e la MSP quantitativa. Queste tecniche possono essere applicate non solo ai meccanismi di controllo genico epigenetico, ma anche ai processi diagnostici. Inoltre, ci sono stati importanti passi avanti nelle analisi del metiloma ad alta risoluzione. Le piattaforme di microarray e il sequenziamento ad alto rendimento hanno reso possibili nuove tecniche per analizzare le caratteristiche epigenetiche dell'intero genoma che si basano sull'uso di enzimi di restrizione sensibili alla metilazione, conversione del bisolfito di sodio e cattura dell'affinità con anticorpi o proteine che selezionano sequenze di DNA metilato. Tecniche come il sequenziamento genomico del punto di riferimento della restrizione (RLGS), il fingerprinting della restrizione sensibile alla metilazione, il cariotipo digitale specifico della metilazione, il sequenziamento mirato e dell'intero genoma con bisolfito, l'immunoprecipitazione del DNA metilato (MeDIP) e il saggio di recupero dell'isola metilato-CpG sono esaminati nel Capitolo 9. I meccanismi per la metilazione della lisina 9 dell'istone H3 sono esaminati nel Capitolo 10 e l'immunoprecipitazione della cromatina (ChIP) e la cattura della conformazione cromosomica (3C) sono trattate nel Capitolo 11. Il metodo basato su 3C consente di rendere le analisi della prossimità spaziale di siti genomici funzionali distanti una vista tridimensionale del genoma all'interno del nucleo stesso. Poiché ci sono state molte informazioni derivate da approcci epigenomici, i metodi per analizzare i dati da ChIP-on-chip e ChIPseq, ad esempio, stanno diventando sempre più importanti e sono delineati nel Capitolo 12. Non c'è dubbio che gli sviluppi negli strumenti per la valutazione epigenetica informazioni sono state e continueranno ad essere fattori importanti nel progresso dell'epigenetica.
ORGANISMI MODELLO DI EPIGENETICA
I processi epigenetici sono diffusi e gran parte della nostra conoscenza esistente sull'epigenetica è stata derivata da sistemi modello, sia tipici che unici. La facilità di manipolazione dei microbi eucarioti ha facilitato le scoperte sui meccanismi molecolari dei processi epigenetici di base (capitolo 13). In questi casi l'epigenetica può svolgere un ruolo chiave nella protezione genomica da elementi invasivi del DNA e nell'identificare l'importanza dei meccanismi di silenziamento genico nell'evoluzione.Drosofilaè un modello cardine della biologia in generale e il campo dell'epigenetica non fa eccezione a questo proposito. Ad esempio, il capitolo 14 offre una serie di esempi di eredità transgenerazionale inDrosofilae questo sistema modello mostra anche la promessa di svelare gli aspetti evolutivi dell'epigenetica. Probabilmente il sistema modello più utile in epigenetica fino ad oggi è il modello murino (capitolo 15). Randy Jirtle e colleghi esaminano numerosi diversi modelli murini che sono importanti in molti processi epigenetici come l'epigenetica transgenerazionale e l'imprinting e questi modelli hanno il potenziale per illuminare malattie umane come diabete, disturbi neurologici e cancro. I modelli vegetali (Capitolo 16) sono di grande importanza nell'epigenetica, in parte a causa della loro plasticità e della loro capacità di silenziare gli elementi trasponibili. Il silenziamento dell'RNAi nelle piante è stato in prima linea nell'epigenetica e i modelli vegetali probabilmente apriranno la strada a molti altri processi epigenetici in futuro. Pertanto, lo sviluppo del modello, come i progressi nelle tecniche, hanno reso possibili molte delle scoperte più entusiasmanti nell'epigenetica per un certo numero di anni.
METABOLISMO ED EPIGENETICA
L'epigenetica è strettamente legata ai cambiamenti nel metabolismo degli organismi e questi due processi non possono essere completamente compresi separatamente. La S-adenosilmetionina (SAM) è un donatore di metile universale e guida molti processi epigenetici (Capitolo 17) e l'importanza della SAM nei meccanismi epigenetici è vasta. Le funzioni metaboliche possono anche influenzare la cromatina che è un importante mediatore dei processi epigenetici (capitolo 18). È ora evidente che varie influenze ambientali e composti metabolici possono regolare i numerosi enzimi che modificano gli istoni nei mammiferi. Pertanto, i processi metabolici influenzano la metilazione del DNA e il rimodellamento della cromatina, i due principali mediatori epigenetici, ed è probabile che questo campo relativamente nuovo continuerà ad avanzare in modo esponenziale.
FUNZIONI DELL'EPIGENETICA
Le funzioni dell'epigenetica sono davvero numerose e sarebbe quasi impossibile rendere completa giustizia in un libro a questo campo in continua espansione. Tuttavia, i capitoli 19-25 illustrano alcune delle molte diverse funzioni mediate dall'epigenetica. Le cellule staminali si basano in parte sui segnali provenienti dall'ambiente e i meccanismi epigenetici come la metilazione del DNA, la modifica degli istoni e il microRNA (miRNA) hanno un ruolo centrale nel modo in cui le cellule staminali rispondono alle influenze ambientali (Capitolo 19). La medicina rigenerativa dipende dalle cellule staminali e la rigenerazione del muscolo scheletrico (capitolo 20) comporta cambiamenti chiave nell'epigenoma che regolano l'espressione genica nei progenitori muscolari attraverso la cromatina e cambiamenti epigenetici del microRNA. È noto da tempo che l'epigenetica è importante nell'inattivazione del cromosoma X, sebbene i progressi in quest'area continuino a muoversi rapidamente. Ora è evidente che l'inattivazione del cromosoma X è regolata non solo attraverso i geniSospiroEEsiste, ma anche fattori di pluripotenza che influenzanoEsisteespressione (capitolo 21). Allo stesso modo, l'imprinting genomico è noto da molti anni per essere basato sull'epigenetica, ma le scoperte in quest'area dell'epigenetica continuano a muoversi a un ritmo rapido. L'imprinting genomico non è limitato ai mammiferi ma avviene anche attraverso processi analoghi nelle piante e negli invertebrati e può verificarsi in tessuti specifici o durante fasi critiche di sviluppo (Capitolo 22). Nuove profonde scoperte si sono recentemente verificate nell'area dell'epigenetica dei processi di memoria. Recenti scoperte entusiasmanti hanno dimostrato che la regolazione genica attraverso meccanismi epigenetici è necessaria per i cambiamenti nella funzione e nel comportamento del cervello adulto basati sulle esperienze di vita (Capitolo 23). Inoltre, nuovi farmaci che influenzano i meccanismi epigenetici potrebbero avere usi futuri nel trattamento o nell'alleviare la disfunzione cognitiva. L'ereditarietà transgenerazionale (Capitolo 24) è anche una forma di memoria basata in parte sull'epigenetica in quanto le prime esperienze di vita che hanno un impatto sui marcatori epigenetici possono influenzare notevolmente la salute degli adulti e il rischio di malattie. Inoltre, il processo di invecchiamento è una forma di memoria ed esperienza epigenetica, in quanto i nostri geni sono modificati epigeneticamente dai nostri genitori e anche durante l'intera durata della nostra vita, il che può avere un impatto significativo sulla longevità degli esseri umani e sul nostro rischio per le numerose età malattie correlate, molte delle quali sono anche su base epigenetica (capitolo 25). È quindi evidente che l'epigenetica influenza una serie di funzioni diverse ed è molto probabile che in futuro vengano scoperte molte altre funzioni dell'epigenetica.
EPIGENETICA EVOLUTIVA
Sebbene molti pensino che i processi epigenetici siano inerenti e statici a un organismo specifico, è evidente che l'epigenetica è stata una forza importante dietro la creazione evolutiva di nuove specie. Il capitolo 26 rivela che i meccanismi epigenetici hanno una grande influenza sulle mutazioni. L'impatto evolutivo dell'epigenetica è in pieno vigore anche oggi con l'ambiente in continua evoluzione che può modulare l'espressione genica attraverso processi epigenetici. Ad esempio, i rapidi cambiamenti nella dieta e nello stile di vita moderno, così come l'inquinamento ambientale, stanno indubbiamente influenzando non solo l'epigenoma umano, ma anche l'evoluzione di molte delle specie più primitive che a loro volta influenzano notevolmente l'ambiente.
EPIDEMIOLOGIA EPIGENETICA
I fattori dietetici sono molto variabili non solo tra individui, ma anche tra popolazioni umane e varie specie non umane. Molti studi hanno dimostrato che la dieta ha un profondo effetto sull'espressione epigenetica del genoma e quindi sul fenotipo. La metilazione del DNA è il processo epigenetico che è stato più spesso associato alla dieta e i cambiamenti nella dieta possono non solo indurre espressioni epigenetiche variabili, ma, paradossalmente, una dieta modificata può anche trascrivere cambiamenti epigenetici che possono quindi essere trasferiti alla generazione successiva in un modo stabile (capitolo 27). Anche agenti ambientali diversi dalla dieta hanno un impatto sull'epigenoma. Ad esempio, il capitolo 28 passa in rassegna i numerosi agenti ambientali che possono portare ad alterazioni nell'epigenoma inducendo in tal modo tossicità o carcinogenesi. Inoltre, l'invasione di agenti estranei può influenzare l'epigenoma (capitolo 29). Virus e batteri, ad esempio, svolgono un ruolo importante nell'alterazione dell'espressione epigenetica del genoma e questi processi possono portare a malattie umane come il cancro. Il capitolo 30 di Walter Doerfler e colleghi illustra i dettagli del ruolo dell'adenovirus di tipo 12 (Ad12) nel rimodellamento del genoma del criceto e fornisce anche analisi del promotore FMR1 umano che è influenzato dalla metilazione del DNA nella sindrome dell'X fragile. I farmaci rimodellano anche l'epigenoma, che ha aperto il nuovo campo della farmacoepigenomica. È chiaro che alcune popolazioni rispondono in modo diverso ai farmaci e gran parte di questa variazione può essere spiegata da fattori epigenetici (capitolo 31). Pertanto, i fattori epidemiologici hanno una grande importanza nell'epigenetica e questo è influenzato dalla dieta, dagli agenti ambientali, dalle infezioni, dai farmaci e probabilmente anche da molti altri fattori.
(Continua...)
Tratto daManuale di epigeneticadiTrygve TollefsbolCopyright © 2011 di Elsevier Inc.. Estratto con il permesso di Academic Press. Tutti i diritti riservati. Nessuna parte di questo estratto può essere riprodotta o ristampata senza il permesso scritto dell'editore.
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