Epigenetica

L’epigenetica è una recente branca della genetica che si occupa dei cambiamenti fenotipici ereditabili da una cellula o un organismo, in cui non si osserva una variazione del genotipo. È stata definita come lo studio dei cambiamenti mitotici e meiotici ereditabili che non possono essere spiegati tramite modifiche della sequenza di DNA.

Viene ereditata un’impronta molecolare sul genotipo che determina il grado di attivazione dei geni. Questa impronta molecolare consta di modificazioni dovute alla cromatina. Tali modificazioni, dette epimutazioni, durano per il resto della vita della cellula e si  trasmettono alle generazioni successive attraverso le divisioni cellulari, senza mutare il DNA. I fenomeni epigenetici sono alla base della maggior parte dei processi di differenziamento cellulare, dell’inattivazione del cromosoma X, e concorrono a una certa plasticità fenotipica ereditabile in relazione a cambiamenti ambientali.

Tipologia:

Tipi di modificazioni:

  • modificazioni del DNA = addizione covalente di gruppi a sequenze specifiche (metilazione della citosina) da parte delle metiltrasferasi;
  • modificazione delle proteine = addizione di gruppi a specifiche proteine della cromatina (modificazioni post-traduzionali degli istoni). Tra queste modificazioni vi sono acetilazione, fosforilazione, sumoilazione, metilazione, ubiquitinazione e lattilazione.

Questi processi alterano l’accessibilità del genoma alle regioni, sulle quali si legano proteine ed enzimi, alterando l’espressione del gene.

Basi molecolari dell'epigenetica:

Le basi molecolari dell’epigenetica sono complesse. Si tratta di modifiche sull’attivazione di certi geni, ma non sul DNA. Possono verificarsi anche delle modifiche alle proteine della cromatina. Questo spiega perché le cellule differenziate in un organismo pluricellulare esprimono solo i geni necessari alla loro attività. I ricercatori spiegano cosa avviene nei geni: nascono con lo stesso patrimonio genetico, ma crescendo si  differenziano a causa dell’ambiente, dello stile di vita, delle emozioni e delle sofferenze provate, che possono cambiare l’espressione di alcuni geni.

Specifici processi epigenetici sono:

  • Paramutazioni
  • Bookmarking
  • Imprinting
  • Silenziamento genico
  • Regolazione della modificazione degli istoni e della eterocromatina

La ricerca epigenetica utilizza diverse tecniche di biologia molecolare, tra cui l’immunoprecipitazione della cromatina e l’ibridazione fluorescente in situ.

Effetti epigenetici nell’uomo:

  • Imprinting genomico e relativi disordini:  fenomeno caratteristico dei mammiferi dove il padre e la madre sviluppano diversi modelli epigenetici che vengono trasferiti alla progenie. I casi maggiormente conosciuti sono la sindrome di Angelman e la sindrome di Prader-Willi.
  • Osservazioni epigenetiche trans generazionali: degli studiosi osservarono che i nipoti dei nonni paterni degli uomini svedesi, esposti durante la preadolescenza alla carestia del diciannovesimo secolo, avevano meno probabilità di morire di malattie cardiovascolari; se il cibo era stato abbondante allora la mortalità causata dal diabete nei nipoti aumentava, suggerendo che ciò fosse dovuto ad un’eredità epigenetica trans generazionale. L’effetto opposto si osservò per le femmine: le nipoti dei nonni paterni che subirono la carestia in grembo (e quindi quando le cellule riproduttive erano già formate) avevano vita più corta della media.
  • Tumori e anormalità dello sviluppo: dei composti vengono considerati carcinogeni epigenetici.  Tra questi componenti possiamo citare dietilstilbestrolo, arsenite, exaclorobenzene e composti contenenti nichel.

Epigenetica e spermatogenesi:

  • La spermatogenesi è un processo che include la autorigenerazione degli spermatogoni attraverso la mitosi, dove gli spermatociti passano alla forma aploide. Essi si trasformano in spermatozoi.
  • I meccanismi epigenetici avvengono a livello delle cellule primordiali germinali (PGC), degli spermatogoni, nel rimodellamento della cromatina durante la meiosi. Un ruolo importante nella regolazione epigenetica durante la spermatogenesi è svolto da microRNA e dal processo di metilazione del DNA. È stato dimostrato che i miRNA sono coinvolti nei processi mitotici meiotici e post meiotici, inibendo l’espressione di geni target. Quindi la comprensione della regolazione epigenetica nella spermatogenesi è importante per la terapia contro l’infertilità maschile e per lo sviluppo di nuovi approcci per la contraccezione maschile.

Funzioni e conseguenze:

  • Sviluppo: L’eredità epigenetica somatica è molto importante nello sviluppo di organismi eucarioti pluricellulari. La sequenza del genoma è statica, ma le cellule si differenziano in molti tipi diversi, che svolgono funzioni diverse e rispondono in modo diverso all’ambiente. Così la morfogenesi attiva o silenzia i geni in modo ereditato epigeneticamente, dando alle cellule la memoria. Nei mammiferi,  solo le cellule staminali mantengono la possibilità di differenziarsi in diversi tipi cellulari. Le staminali continuano a produrre nuove cellule differenziate per tutta la vita. A differenza di quelle animali, le cellule vegetali rimangono totipotenti, con la capacità di dare origine ad una nuova singola pianta.
  • Medicina: L’epigenetica ha varie potenziali applicazioni mediche, in quanto tende ad essere multidimensionale in natura. Le malattie genetiche congenite sono ben conosciute. L’epigenetica può avere un ruolo fondamentale. Si tratta di normali malattie genetiche causate dalla delezione o inattivazione dei geni, ma sono insolitamente comuni perché gli individui sono essenzialmente emizigoti a causa dell’imprinting genomico: un singolo gene knock out è sufficiente a provocare la malattia, la quale nella maggior parte dei casi richiederebbe che entrambe le copie fossero knocked out.
  • Evoluzione: L’epigenetica è ritenuta generalmente un meccanismo coinvolto nella differenziazione, con pattern epigenetici “reset”, quando gli organismi si riproducono, ci sono state alcune osservazioni di eredità epigenetica transgenerazionale. Rimane la possibilità che l’epigenetica multigenerazionale possa essere un altro aspetto dell’evoluzione e dell’adattamento darwiniano.

I tratti epigenetici consentono una variabilità fenotipica reversibile per rispondere a fattori stressanti indotti dall’ambiente. Analisi recenti hanno suggerito che i membri della famiglia delle citosina deaminasi APOBEC/AID sono in grado di mediare contemporaneamente le eredità genetiche ed epigenetiche utilizzando analoghi meccanismi molecolari.

Si è osservato che i cambiamenti epigenetici possono anche verificarsi in risposta ad esposizioni ambientali.

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