Oltre la genetica… l’epigenetica: una breve storia e le sue basi molecolari

di Chiara Berni, Valerio Lalli, Andrea Midi, Silvio Pallone, Carlo Mario Torre, Emanuele Sasso, Donatella Tramontano.

 

“Why Your DNA Isn’t Your Destiny”. Così il Time, nel 2000, dedicava la sua copertina all’epigenetica. Nel corso degli ultimi due decenni, infatti, si sono sempre più diffusi in letteratura scientifica studi riguardanti le influenze dell’ambiente sulle caratteristiche degli organismi viventi. Questi studi rientrano nell’ambito dell’epigenetica, ed analizzano le modalità con cui il fenotipo di un organismo e della sua progenie possa essere modificato modulando l’attività dei geni, senza che questo tipo di ereditarietà sia basato sulla trasmissione di sequenze alterate di DNA. Nel solo anno 2015 sono stati pubblicati circa diecimila articoli su riviste scientifiche in merito a tale argomento; tuttavia, il termine epigenetica è comparso per la prima volta nella letteratura scientifica negli anni ‘50.  Nonostante all’apparenza possa sembrare una scienza nuova, le sue radici affondano addirittura nella cultura ellenica; quando, per primo, Aristotele ipotizzò che l’ambiente potesse influenzare le caratteristiche di un individuo e soprattutto che queste potessero essere trasmesse ai suoi discendenti.

Tuttavia, la prima ipotesi scientifica sull’eredità è attribuibile a Malpighi (1673), che propose la teoria secondo la quale l’embrione esistesse già preformato all’interno della cellula germinale. La visione di Malpighi fu successivamente ampliata, tanto da creare un dibattito tra due scuole di pensiero: la prima, quella detta del “preformazionismo”, che prendeva per l’appunto le mosse dalla primordiale idea del Malpighi, e che credeva che tutti gli elementi di un organismo adulto fossero già presenti totalmente formati nell’uovo e semplicemente espressi durante la crescita. La seconda scuola, detta dell’epigenetismo (da non confondere con l’epigenetica, parola coniata solo successivamente da Waddington) considerava i tratti caratteristici degli organismi una conseguenza della progressiva interazione tra le parti costitutive dello zigote con il contesto in cui esso si sviluppava. Jean-Baptiste Lamarck giocò un ruolo fondamentale nell’evoluzione del pensiero epigenetico, infatti nel suo famoso lavoro “Philosophie Zoologique ou Exposition des Considérations Relatives à L’historie Naturelle Des Animaux”, Lamarck espose la sua teoria sull’ereditarietà delle caratteristiche acquisite, conosciuta come soft inheritance (acquisizione di fenotipi attraverso eredità non genetiche), la quale costituì una prima cornice per l’evoluzione. Tuttavia le teorie evoluzionistiche di Darwin prevalsero nettamente su quelle lamarckiane, relegando all’angolo le idee del francese. Solo alcuni anni dopo, Georges Cuvier e Geoffroy Saint-Hilaire, grazie ai loro studi, apportarono nuova linfa alle idee di Lamarck, gettando le basi di una nuova scienza che, di lì a breve, avrebbe preso il nome di epi-genetica. Difatti nella prima metà del ventesimo secolo, periodo di fermento per la genetica e per le teorie sull’ereditarietà, Conrad Waddington, un eminente ricercatore di biologia sperimentale coniò il termine “Epigenetica” (1942) [1]. Attraverso una metafora, egli ipotizzò che l’ambiente potesse influenzare le vie di sviluppo e le rotte evolutive. Waddington infatti descrisse la maturazione di un embrione come la discesa di una sfera in un paesaggio di montagna. La sfera, spinta dalla forza di gravità, avrebbe potuto raggiungere la valle attraverso i solchi tra le montagne che rappresentavano per Waddington le differenti vie di maturazione (Figura 1).

Il primo scienziato che definì un solco tra ereditarietà genetica e non genetica fu D.L. Nanney che con il suo lavoro “Epigenetics control systems” si aggiudica il primato temporale come articolo annotato in letteratura riguardante l’epigenetica [2]. Per le prime evidenze sperimentali molecolari dell’epigenetica, bisogna però aspettare la fine degli anni settanta, quando Riggs, Holliday e Pugh per primi dimostrarono che il DNA potesse essere metilato nei batteri. A partire da queste evidenze, grazie anche alle nuove tecnologie disponibili, iniziò un susseguirsi di scoperte sensazionali ancora oggi viste come le fondamenta dell’epigenetica.

Epigenetica: il riscatto di Lamarck?

Possiamo a questo punto definire l’epigenetica come l’insieme delle modificazioni reversibili, indotte dall’ambiente, che agiscono sul patrimonio genetico, conferendogli un’architettura variabile ed ereditabile. Per alcuni versi, l’epigenetica potrebbe essere vista come una riscoperta delle idee di Lamarck, nonché un punto di contatto tra queste e la teoria di Darwin. La riconciliazione tra queste due teorie è essenzialmente riassunta nel cosìddetto “Effetto Baldwin”: i caratteri individuali acquisiti dai membri di un gruppo di organismi possono eventualmente, sotto l’influenza della selezione, essere rinforzati o replicati da fattori ereditari simili. Baldwin propose l’idea che l’ambiente induca modificazioni comportamentali, psicologiche e strutturali non ereditabili, a meno che queste non siano vantaggiose per la sopravvivenza. Queste modifiche sono favorite dalla selezione naturale e tendono a diffondersi nella popolazione nel corso delle generazioni. Il risultato è un adattamento, originariamente individuale e non ereditabile che si trasforma in una caratteristica ereditaria. Questo chiarì il concetto di “assimilazione” espresso nel 1942 da Waddington. L’obiettivo degli studi epigenetici quindi è quello di identificare l’espressione fenotipica e le modalità di trasmissione di quest’ultima. Uno dei problemi legati agli studi epigenetici è proprio la scelta del fenotipo da studiare. Il termine fenotipo non è usato per comunicare un tratto fisico unitario (comportamentale, psicologico o morfologico) ma, nella maggior parte dei casi, per intendere la consolidazione di molteplici tratti. In conclusione l’epigenetica è l’ingrediente fondamentale per la profonda comprensione delle interazioni gene-ambiente.

Da quanto detto finora, risulta chiaro che esiste una netta distinzione tra modifiche genetiche ed epigenetiche, sebbene il risultato finale in alcuni casi possa essere sovrapponibile.

Le modifiche genetiche sono rappresentate dalle mutazioni, che avvengono casualmente nel genoma e non sono reversibili, se non con bassa probabilità. Queste modificazioni permettono di acquisire nuove caratteristiche in grado di conferire una fitness (successo riproduttivo) positiva o negativa all’organismo, incanalandolo nella teoria evoluzionistica di Darwin. Le modificazioni                                                                                                                              epigenetiche agiscono in punti specifici del DNA sotto l’influenza di precisi segnali, e soprattutto sono molto più facilmente reversibili. Un’ulteriore differenza sostanziale tra mutazioni genetiche e variazioni epigenetiche è il loro rapporto con l’ambiente. Infatti l’epigenetica potrebbe essere considerata una rivisitazione delle teorie di Lamarck, secondo cui l’ambiente induce modifiche fenotipiche agli organismi. Ciò che invece accomuna modificazioni genetiche ed epigenetiche è la loro ereditabilità.

Oltre la genetica

Ci si fermi per un attimo a pensare al nostro rapporto con il mondo esterno: quali potrebbero essere le forme di contatto più profonde tra esso e il nostro genoma? Il cibo potrebbe essere una risposta, così come la temperatura ambientale, ma anche lo stato emotivo; tutto ciò può modulare l’informazione genetica, anche grazie a modifiche epigenetiche. Letteralmente, il termine epigenetica (επί, epì=”sopra” e γεννετικός, gennetikòs=”che riguarda l’eredità familiare”), “oltre la genetica”, comprende tutti i meccanismi che modificano l’espressione dei geni, ma senza tuttavia modificare la sequenza del DNA. Di questi meccanismi fanno parte le modifiche architetturali del DNA e della cromatina (il complesso del materiale genetico con le proteine che ne determinano la struttura, e quindi l’accessibilità), e le modifiche chimiche del DNA che non ne alterano la sequenza.

Sui meccanismi delle modificazioni epigenetiche che avvengono sul DNA e sulle proteine strutturali della cromatina si è concentrato, negli ultimi anni, l’interesse della comunità scientifica internazionale. È ben noto infatti che il materiale genetico nucleare si trova complessato a proteine strutturali chiamate istoni, che hanno il compito di proteggere e condensare il DNA in modo da compattare nei pochi micron cubici del volume nucleare i circa 2 metri dei filamenti di DNA. Questo stato super-avvolto del DNA, in cui la componente proteica e quella dell’acido nucleico si equivalgono, in massa, si definisce cromatina (Figura 2). L’unità strutturale fondamentale della cromatina è il nucleosoma, il complesso proteine-DNA costituito dall’ottamero istonico (due copie di ciascuno degli istoni H2A, H2B, H3 e H4) e da 147 coppie di basi di DNA. Nella cromatina rilassata (definita eucromatina) i nucleosomi adiacenti sono spaziati da un breve tratto di DNA “nudo”; al contrario, nella cromatina nel suo stato di eterocromatina i nucleosomi si associano in strutture compatte a vari livelli di organizzazioni superiori, che lasciano ben poco spazio a tratti liberamente esposti di DNA. Sebbene fino al alcune decine di anni fa si riteneva che il ruolo delle proteine istoniche fosse limitatamente strutturale, più recenti evidenze ne affermano un ruolo funzionale  di estremo rilievo. L’accessibilità al DNA sembra essere la chiave di lettura per le variazioni epigenetiche; infatti, riorganizzare la struttura tridimensionale del genoma, significa rendere disponibili i geni quando si generano strutture eucromatiniche, affinché essi possano essere espressi. Altrettanto importante è l’aspetto complementare a quello appena descritto, che comporta la eterocromatinizzazione di regioni del genoma, per instaurare condizioni di silenziamento dell’espressione di geni in esse contenuti. Infatti, a definire un determinato fenotipo cellulare contribuiscono non solo i geni espressi, ma anche quelli non espressi.

Le basi molecolari dell’epigenetica: la metilazione del DNA

Le principali modificazioni epigenetiche coinvolgono sia il DNA che le proteine istoniche che lo rivestono. Le modificazioni del DNA in genere inattivano l’espressione di un gene attraverso la metilazione di citosine in regioni di DNA ricche  di “doppietti” di citosina  e guanina, dette isole CpG. La Figura 3 descrive un meccanismo tipico di eterocromatinizzazione, basato sulla metilazione del DNA.

Come può una caratteristica epigenetica basata sulla metilazione del DNA essere resa ereditabile? Dobbiamo risalire ai meccanismi della replicazione del DNA, in cui entrambi i filamenti della molecola madre del DNA forniscono lo stampo per la sintesi dei due filamenti complementari; nel caso di un tratto di DNA metilato su entrambi i filamenti, ciascuna delle due molecole figlie che da esso si originano durante la replicazione recherà un filamento preesistente (metilato) ed uno di nuova sintesi (non metilato). La modifica sul filamento neosintetizzato è, di norma, rapidamente impressa da enzimi noti come metiltransferasi del DNA (DNMT), appartenenti alla categoria delle metilasi di mantenimento; il termine mantenimento spiega il concetto di stabilità della modifica, e quindi della ereditabilità della conformazione eterocromatinica nelle cellule figlie (Figura 4). Tuttavia, se questo meccanismo fosse sempre fedelmente rispettato, verrebbe a mancare la caratteristica che meglio distingue l’epigenetica dalla genetica, e cioè la reversibilità.

La reversibilità di una modifica epigenetica trova un suo fondamento molecolare in due diversi meccanismi (sebbene non gli unici). Il primo è basato su attività in grado di “cancellare” la metilazione delle citosine sulle regioni modificate. Il meccanismo è particolarmente complesso, e noto da pochi anni. Esso prevede prima l’ossidazione dei gruppi metilici sulle citosine, ad opera di enzimi noti come diossigenasi TET, quindi la sostituzione delle citosine (e degli interi nucleotidi modificati) con nuovi residui di C “normali”, grazie ai sistemi di riparo dei danni al DNA (meccanismo BER). Il secondo meccanismo a supporto della reversibilità delle modifiche epigenetiche basate su metilazione del DNA richiede una ulteriore famiglia di metiltransferasi del DNA, note come metilasi de novo. Anche qui il termine richiama in maniera intuitiva il meccanismo che le vede coinvolte: la metilazione di regioni precedentemente non metilate che potrà cambiare l’architettura della regione cromatinica coinvolta da eu- ad etero-cromatina.

Le basi molecolari dell’epigenetica: le modifiche istoniche

Le modificazioni degli istoni, al contrario di quelle che hanno come substrato il DNA (si veda il precedente paragrafo) sono particolarmente eterogenee, e contribuiscono sia all’espressione che al silenziamento di un determinato gene, o di una più vasta regione cromosomica. Esistono molte possibili modificazioni che avvengono sulle proteine istoniche tra cui metilazione, acetilazione, ubiquitilazione, sumoilazione, fosforilazione, citrullinazione, propionilazione e biotinilazione. Tra queste, acetilazione e metilazione sono le meglio descritte a causa del loro ruolo funzionale molto evidente. Ciascun istone presenta una struttura globulare, ed una estremità proteica ricca di amminoacidi carichi positivamente come arginine e lisine. Queste ultime rendono l’interazione con il DNA, carico negativamente, molto salda. L’aggiunta del gruppo acetile alla lisina ne neutralizza la carica positiva, rendendo più lasso il legame al DNA che potrà quindi essere accessibile ai fattori di trascrizione. La metilazione della lisina invece non ne neutralizza la carica, ed essendo mutualmente esclusiva con l’acetilazione, spesso agisce nel consolidare il legame tra istoni e DNA. La metilazione e l’acetilazione degli istoni esplicano funzioni molto diverse, innanzitutto in relazione al tipo di modifica: l’istone H3, ad esempio, può essere acetilato o metilato sulla sua lisina in posizione 9 (H3K9ac o H3K9me). Le due modifiche si escludono a vicenda, non potendo essere contemporanee, e questa caratteristica ne rappresenta i significati antitetici: di attivazione dell’espressione genica, la prima, e di repressione, la seconda. Sebbene in prima approssimazione sia possibile definire l’acetilazione una modifica attivante e la metilazione inattivante, non esiste un univocità di funzione per i due tipi di modifiche. Va tenuto infatti conto della posizione del residuo modificato lungo la sequenza, e dell’istone di cui questo residuo fa parte. In tal senso le modifiche istoniche potrebbero essere comparate a lettere dell’alfabeto, la cui combinazione determina effetti diversi a seconda della loro combinazione. Uno degli esempi più evidenti è la metilazione a carico dell’istone H3: i geni sono tipicamente attivati quando esso è trimetilato nel residuo Lisina in posizione 4 (H3K4me3); viceversa sono inattivati quando la stessa metilazione coinvolge la Lisina in posizione 27 (H3K27me3). Risulta chiaro quindi che non è possibile definire meccanismi causa-effetto univoci e rigidi per acetilazione e metilazione. Dall’altra parte, risulta ben affermato oggi il concetto di codice di modificazioni degli istoni. In accordo con il termine “codice”, ad un tipo di modifica (es., metilazione) su una specifica posizione di uno degli istoni (es. H3K27me3) corrisponde una determinata risposta cellulare, che origina dallo stato cromatinico associato alla modifica stessa.

Ma cosa determina l’attuazione delle modifiche epigenetiche? In prima istanza proteine con attività enzimatica, vengono attivate sotto lo stimolo di fattori ambientali rimodellando così la struttura e l’accessibilità della cromatina. Questi enzimi, attraverso le modificazioni epigenetiche, rappresentano l’anello di congiunzione tra l’ambiente e l’espressione genica. Ogni modifica epigenetica è il risultato di un costante equilibrio dell’attività di questi enzimi. Per cui, come in un tiro alla fune, ogni modifica epigenetica può essere impressa sugli istoni da un writer, e rimossa da un enzima antagonista, o eraser. Per cui, ad una acetilasi (il writer) corrisponderà una deacetilasi (l’eraser); analogamente alla metilasi potrà corrispondere una demetilasi. Una terza categoria di proteine, fondamentali per l’attuazione del codice, è quella dei readers: si tratta di proteine dotate di particolari domìni (es., bromo- e cromo-domìni) in grado di “leggere” ed interpretare le modifiche attraverso il reclutamento, sulle regioni interessate, di attività in grado di promuovere l’espressione o il silenziamento genico. Tipicamente i bromodomìni riconoscono residui di lisine acetilate ed organizzano, sulla cromatina, complessi in grado di favorire la eucromatinizzazione e l’attivazione della trascrizione genica; in maniera complementare i cromodomìni legano lisine metilate ma, come già descritto per il significato funzionale della metilazione di lisine degli istoni, con effetti spesso discordi, rispetto ai meccanismi di eu- od etero-cromatinizzazione [3]. Si noti che i termini “bromo” e “cromo” non hanno alcuna relazione con gli elementi chimici.

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Leggi l’articolo completo: Chiara Berni, Valerio Lalli, Andrea Midi, Silvio Pallone, Carlo Mario Torre, Emanuele Sasso, Donatella Tramontano, Oltre la genetica… l’epigenetica: una breve storia e le sue basi molecolari, in Scienze e Ricerche n. 34, 1° agosto 2016, pp. 35-41