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Modifiche epigenetiche: come l’ambiente può cambiare il nostro organismo

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Figura 1: Stazione Spaziale Internazionale (ISS)

Nel Marzo dello scorso anno si concludeva la permanenza di Scott Kelly nella Stazione Spaziale Internazionale (Figura 1), dopo trecentoquaranta giorni passati ad orbitare attorno alla Terra e durante i quali sono stati condotti esperimenti e raccolti dati con lo scopo di valutare le conseguenze che una lunga permanenza nello spazio ha a livello fisiologico, psicologico e genetico.

I primi risultati di questi studi sono stati resi noti alla fine del mese di Gennaio di quest’anno e i più sorprendenti riguardano modifiche all’espressione di alcuni geni: gli esperimenti, infatti, hanno coinvolto anche il gemello Mark, anch’egli astronauta, ma rimasto sul nostro pianeta. La scelta di usare una coppia di gemelli monozigoti non è casuale: poiché questi gemelli nascono dalla divisione di un’unica cellula uovo fecondata (lo zigote), essi hanno lo stesso patrimonio genetico, tranne per piccole varianti che prendono il nome di SNP (polimorfismi a singolo nucleotide). Pertanto, una coppia di gemelli identici risulta molto utile per vedere come un viaggio nello spazio possa modificare l’espressione genica. Infatti, dall’analisi del trascrittoma fatta sui globuli bianchi, cioè l’analisi delle molecole di RNA messaggero che si trovano in una cellula, è venuto fuori che i fratelli Kelly differiscono per duecentomila RNA messaggeri, nonostante abbiano lo stesso DNA: come è possibile?

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Figura 2: schema sul meccanismo di espressione genica

Prima di rispondere a questa domanda dobbiamo capire cosa si intende per gene, per espressione di un gene e quindi come questa possa essere regolata. L’essere umano ha un patrimonio genetico grande 3,2 miliardi di coppie di basi che contiene circa venticinquemila geni. Per definizione, un gene è l’unità ereditaria fondamentale degli esseri viventi e non è altro che una porzione del patrimonio genetico che codifica per una proteina o un RNA (come tRNA o rRNA). Senza scendere troppo nel dettaglio: un gene viene trascritto, grazie all’enzima RNA polimerasi II, in una molecola di RNA messaggero che esce dal nucleo (la sede che occupa il DNA dentro la cellula) per essere tradotta, a livello dei ribosomi, in proteina. Tutto questo processo è quello che si intende per espressione genica (Figura 2)Per non complicare troppo il discorso si potrebbe dire che la regolazione dell’espressione di un gene può avvenire a più livelli: durante la trascrizione, durante il processo di maturazione dell’mRNA di cui si può anche modulare la stabilità (cioè il tempo di vita, prima che venga degradato); infine l’espressione genica si può regolare anche durante la traduzione e dopo tale processo (in questo caso si parla di modifiche post-traduzionali a carico di una data proteina).

Per la trascrizione, infatti, non è solo necessaria la già citata RNA polimerasi, ma occorrono i fattori di trascrizione che si distinguono in: fattori generali (sempre attivi) e fattori inducibili che si attivano in determinate condizioni, consentendo quindi l’espressione di un gene solo in un determinato contesto e come risposta a stimoli che spesso provengono fuori dalla cellula, come un fattore di crescita o un ormone. Questo spiega in parte la differenze nel trascrittoma dei fratelli astronauti: stessi geni, ma espressi in maniera diversa come conseguenza di un diverso ambiente (spazio e Terra), di una diversa dieta e di diverse condizioni di stress (passare quasi un anno in assenza di gravità mette a dura prova l’organismo umano!).

 

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Figura 3: struttura DNA

 

Gli esperimenti di genetica della National Aeronautics and Space Administration non finiscono qui: infatti sono stati condotti studi anche sulle possibili modifiche epigenetiche. Immaginando il DNA come una lunghissima sequenza di quattro lettere A T G C (i nucleotidi, Figura 3) possiamo definire l’epigenetica come quella disciplina che studia quelle modifiche a carico del DNA che avvengono senza alterarne la sequenza nucleotidica (Figura 4). Tra i principali meccanismi di regolazione genica di tipo epigenetico c’è la metilazione del DNA che consiste nell’aggiunta di gruppi metilici alle basi del DNA. Nell’uomo molti geni sono preceduti dalle isole CpG in cui le citosine possono essere metilate: in tal caso, l’effetto sarà la repressione dell’espressione di quel gene. Questa modifica epigenetica è molto importante durante lo sviluppo embrionale in cui si devono formare i diversi tipi cellulari e sta alla base di due importanti processi: l’inattivazione del cromosoma X  e l’imprinting genomico.

 

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Figura 4: esempio di modifica epigenetica: acetilazione degli istoni ad opera dell’istone acetilasi (HAC) e deacetilazione ad opera dell’istone deacetilasi (HDAC). Fonte: Enciclopedia Treccani

 

Il primo processo, che avviene precocemente durante lo sviluppo embrionale, prevede l’inattivazione di uno dei due cromosomi X negli individui di sesso femminile appartenenti alla classe dei Mammiferi e porta all’eterocromatizzazione del cromosoma X spento: la cromatina, cioè la forma che il DNA assume dentro il nucleo, quando è compatta (eterocromatica) rappresenta una forma di silenziamento trascrizionale poiché impedisce che i geni in essa presenti siano trascritti e dunque espressi. Esistono regioni in cui la cromatina è sempre compatta (eterocromatina costitutiva) come i telomeri (le estremità) ed il centromero (il centro) di un cromosoma ed esistono regioni in cui l’eterocromatina è facoltativa, cioè si trova solo in alcuni tipi cellulari per silenziare quei geni che in un dato tessuto non devono essere espressi. Per imprinting genomico si intende quel fenomeno per cui una delle due copie di un gene (allele) è inattivo (quindi non è espresso) in base all’origine parentale.

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Figura 5: gradi di compattamento del DNA

Nel cromosoma umano numero 15, ad esempio, c’è una regione che contiene geni sottoposti ad imprinting paterno, cioè quei geni sono inattivi nel cromosoma che viene ereditato dal padre, mentre funzionano i corrispettivi presenti sul cromosoma 15 ereditato dalla madre ed una regione sottoposta invece ad imprinting materno per cui vale il discorso opposto. Un altro esempio di meccanismo epigenetico sono le modifiche, come la metilazione e l’acetilazione, a carico degli istoni (Figura 5), cioè le proteine che consentono al DNA di stare ben ordinato dentro il nucleo della cellula: pensate che se il DNA di una cellula umana fosse srotolato sarebbe lungo circa un metro! Modifiche a carico degli istoni hanno conseguenze sulla struttura della cromatina e quindi sull’espressione genica.

Negli ultimi anni, l’attenzione degli studiosi di epigenetica si è maggiormente concentrata sugli sncRNA: come si può intuire dal nome (small noncoding RNA) si tratta di molecole di RNA non codificanti per alcun proteina e coinvolte sia nelle modifiche epigenetiche a carico di DNA e istoni sia nell’espressione genica. Dai primi risultati degli esperimenti condotti dalla NASA è emerso che Scott Kelly, durante la permanenza sulla ISS, presentava un diverso grado di metilazione del DNA (misurato nei globuli bianchi) rispetto al fratello rimasto sulla Terra. I ricercatori non hanno ancora dato una spiegazione a riguardo, ma appare chiaro come l’ambiente abbia giocato un ruolo chiave.

Inoltre, il viaggio nello spazio ha prodotto in Scott modifiche di natura biochimica/ormonale e a carico del microbiota (l’insieme dei microrganismi che vivono in simbiosi con l’organismo umano) del suo tratto gastro-intestinale, come riportato sul sito della NASA. Lo studio della stessa ha come obiettivo principale quello di valutare gli effetti che una lunga permanenza nello spazio causa nel corpo umano, in vista di una futura missione su Marte o su altre destinazioni che implichino una lontananza dal nostro pianeta di parecchi mesi.

È innegabile, però, come i risultati ottenuti aprano nuove strade alla comprensione di come l’ambiente possa influenzare l’espressione dei geni.

 

 

APPROFONDIMENTI :

  • puntata di Superquark del 7 Agosto 2015

 


 

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About Deborah Crifò

COLLABORATRICE | Nata nel Dicembre del 1991, da ragazzina sognava di diventare un'archeologa. Per questo, fu ben lieta di iscriversi al Liceo Classico "Gorgia" di Lentini (SR) per studiare latino e greco. Ma questa scelta, della quale non si è mai pentita, l'ha portata in realtà ad appassionarsi alle scienze, in particolar modo alla Fisica ed alla Biologia. Oggi è laureata in Scienze Biologiche e frequenta il corso di laurea specialistica in Biologia Cellulare e Molecolare presso l'Università degli Studi di Catania.

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