Epigenetica

L'Alba dell'Epigenetica

: 2001 ODISSEA NELLO SPAZIO DEL GENOMA

In una mattina di 6 anni fa, a Napoli,  dopo una visita in Università, via Mezzocannone, dai cui terrazzi si ha una vista panoramica sul golfo e sul Vesuvio, mi recai al CNR-IGB, Genetica e Biofisica (Buzzati-Traverso) in via Castellino. Qui l'allora responsabile di progetto, un giovane Valerio Orlando, da poco rientrato dalla riunione FANTOM 4 al RIKEN, sull'annotamento del nuovo genoma di topo, mi presentava le sue slides sulla funzione degli RNA non codificanti proteine, in particolare quelli delle regioni Homeobox (HOX). La prima diapositiva era questa

2001 ODISSEA NELLO SPAZIO DEL GENOMA

 in effetti in questi 5 anni si è rivelata una risorsa per la scienza europea, dai progetti Epigenome, networks of Excellence, ai progetti bandiera italiani con gruppi del CNR e di Telethon, guidato da Valerio Orlando.

• Istituto Dulbecco Telethon, Roma, Italia 

• Valerio Orlando, Presidente della Società di Biofisica e Biologia Molecolare, come tale partecipa al consiglio esecutivo della FISV (Federazione Italian Scienze della Vita).
• -1991-1997: lavora presso il Centro per la Biologia Molecolare dell’Università di Heidelberg nel laboratorio di Genetica Molecolare dello Sviluppo
• –1997-2001: coordina un gruppo di ricerca presso il DIBIT, Ospedale San Raffaele di Milano
•  lavora all’Istituto Internazionale di Genetica e Biofisica (IIGB) CNR di Napoli e studia i meccanismi molecolari alla base della capacità delle cellule di mantenere e trasmettere alle cellule figlie la propria identità, in particolare mantenendo lo stato di espressione attivo o represso dei geni che caratterizzano un particolare tipo cellulare.
• -ad oggi: Dulbecco Telethon Institute, Laboratorio di Epigenetica, ospitato dall'IRCCS Fondazione Santa Lucia e EBRI di Roma
• Attivando determinati sottoinsiemi di geni in cellule diverse e a diversi stadi di sviluppo è possibile conferire loro un'altra identità cellulare e funzioni differenti, nonostante le cellule contengano le stesse informazioni genetiche. Interferenze nel processo di attivazione possono causare anomalie dello sviluppo e il cancro. Le proteine dei gruppi Polycomb e Trithorax sono in grado di attivare e disattivare i geni durante lo sviluppo embrionale. Valerio studia le proteine del gruppo Polycomb in grado di silenziare i geni in maniera ereditabile tramite il controllo della struttura e delle dinamiche della cromatina. In particolare, questo team di ricerca si occupa del ruolo delle proteine del gruppo Polycomb e dell'RNA non codificante nel mantenere, e possibilmente riprogrammare, l'identità cellulare.

Gatti calico 

Guinness e Rainbow, gattini clonati

• Ho chiamato Guinness, come la famosa birra nera irlandese, il nostro ultimo gatto, perché le striature del suo mantello mi ricordavano le sfumature di una pinta di Guinness. Se avessi da parte 25.000 sterline e Guinness fosse ancora viva, prenderei in considerazione di farla clonare. Penso comunque che resterei un po' delusa dalla mia nuova gattina perché è alquanto improbabile che assomigli alla mia adorata micina. Il primo gatto clonato, Carbon Copy, è nato in Texas da una gatta calico come Guinness. Nonostante il nome, il nuovo gatto non si è rivelato una "fotocopia" della sua "mamma" genetica, Rainbow, nonostante il loro DNA sia identico. Ciò può in parte essere spiegato mediante un fenomeno epigenetico, noto come "inattivazione dell'X". I gatti calico sono sempre femmine, vale a dire che hanno due cromosomi X in ogni cellula. Il gene del colore rosso del pelo si trova sul cromosoma X, me ne esiste un'altra versione (allele) che dà luogo al pelo nero. Nei gatti di sesso femminile (XX), viene "spento" o represso un cromosoma X in ogni cellula. Pertanto, se una femmina eredita un allele di ciascun tipo (rosso e nero) avrà il manto a macchie di entrambi i colori.

• Il processo di inattivazione è casuale, ecco perché clonando un gatto calico non se ne otterrebbe mai un altro con il mantello uguale. Nel caso di Carbon Copy, la gatta è stata clonata da una cellula uovo il cui nucleo è stato sostituito con quello di una cellula di Rainbow. Sebbene la cellula con cui è stata clonata Carbon Copy avesse un cromosoma X inattivo, il programma di sviluppo riattiva entrambi i cromosomi X e il successivo processo di inattivazione è messo in atto in maniera casuale. Ne risulta un mantello completamente diverso, nonostante due individui siano geneticamente identici.

•  La mamma è tutto

  I leoni maschi in cattività si accoppiano anche con tigri femmine. Da questa unione nascono dei ligri, che con la loro lunghezza di oltre 3,5 m e un peso doppio rispetto a quello dei genitori, fanno sembrare tigri e leoni dei gattini. Se invece ad accoppiarsi sono una tigre maschio e un leone femmina, l'incrocio che ne risulta, ovvero un tigone, è molto più piccolo. Perché i ligri sono così grandi e i tigoni così piccoli? Perché, se si accoppiano una tigre e un leone, è importante quale dei due sia il padre e quale la madre? Dalla biologia non abbiamo forse imparato che entrambi i genitori forniscono lo stesso contributo genetico? Effetti simili si ottengono incrociando una cavallo e un asino. Il mulo nato da una giumenta e da un asino è visibilmente diverso da quello nato da un'asina e da uno stallone. È chiaro che i genitori hanno un influsso diverso sulle modalità di funzionamento dei geni. 

  

   Hercules, il ligre

• Premio Nobel all’ epigenetica Che cosa hanno in comune la petunia e il millepiedi ? Alla vista appaiono diversi, al tatto sono diversi, all’olfatto odorano diversamente…o perlomeno una persona penserebbe così. Entrambi i sistemi però hanno portato gli scienziati a scoprire un nuovo modo di spegnere l’espressione genica. La natura si serve di numerosi metodi per silenziare i geni, un mezzo molto astuto che permette allo stesso genoma di usufruire di molteplici modi di espressione, o epigenomi in un unico organismo. Uno di questi trucchi, l’ interferenza a RNA, (RNA interference) è diventato di dominio pubblico da quando Andrew Fire (Stanford, CA) e Graig Mello (Massachuttes, MA) hanno ricevuto in modo congiunto il premio nobel per la medicina grazie al loro lavoro sull’azione dell’ interferenza a RNA nel verme Caenorhabditis elegans. Una lettera spedita alla rivista Nature nel 1998, ha rivelato la loro eclatante scoperta. 

•  Premio Nobel per la trascrizione (una famiglia con 2 premi Nobel) Grazie a scienziati come Roger Kornberg, che ha ricevuto il premio nobel del 2006 per la chimica, cominciamo ad avere le idee più chiare su cosa accade nel nucleo e come miliardi di metri di DNA nel nostro corpo sono convertiti in RNA da un enzima che si chiama RNA polimerasi II. Roger Kornberg ha condotto studi scrupolosi sui micromeccanismi della trascrizione.  Ispirato dal padre Arthur Kornberg che ha meritato il premio nobel nel 1959 per il suo lavoro sulla descrizione di un enzima, la DNA polimerasi che permette la replicazione del DNA, il giovane Roger ha pubblicato un articolo nel 2001 di notevole interesse per la comunità scientifica. Utilizzando la cristallografia a raggi X, la stessa tecnica usata per rivelare la struttura del DNA, il suo gruppo di ricerca ha potuto decifrare in modo dettagliato l’architettura dell’ enzima RNA polimerasi II.  Inoltre il suo gruppo di ricerca è riuscito a immortalare l’ RNA polimerasi II in atto, mentre produceva dell’ RNA da DNA. Equipaggiato di una pinza, una sella, una cerniera, una prua, un coperchio, un ponte, un imbuto e una mandibola, questo super enzima permette l’entrata della doppia elica del DNA vicino al sito catalitico attraverso la sua “mandibola”. I due filamenti del DNA si dividono, permettendo ai nucleotidi di RNA di allinearsi lungo il DNA attraverso un piccolo poro. La nascente molecola di RNA esce ad angolo retto prima di staccarsi e andare in cerca dei ribosomi che guidano la sintesi delle proteine.Sebbene molti scienziati hanno lavorano sulla trascrizione, nessuno prima di lui ha descritto in modo così dettagliato questo processo, portando evidenze cristallografiche. In effetti, l’ RNA polimerasi II fa parte di uno di quei numerosi e complessi eventi che sono necessari per liberare il DNA dai nucleosomi, un gruppo di histoni, che sono stati anche studiati in parte da Kornberg. Queste unità base della cromatina (mostrate come perle lungo un filo nella figura sopra), sono presenti nella maggior parte delle cellule enucleate, non nei batteri.

• Marijori Matze (Instituto Gregor Mendel, Vienna): strani casi di silenziamento genico sono stati scoperti in piante transgeniche un decennio precedente. Il suo gruppo di ricerca ha pubblicato nel 1989 un lavoro in cui piante di tabacco erano in grado di silenziare transgeni presenti in due copie mentre questo fenomeno non si verificava in piante con una sola copia.

• L’ anno seguente, un gruppo olandese e uno americano generavano contemporaneamente simili strani risultati, in una ricerca condotta con lo scopo di aumentare il colore dei petali della petunia. Piuttosto che aumentare il color viola del fiore della petunia, l’aumento del numero di copie del gene responsabile del colore del fiore provocava una splendida varietà di fiori, alcuni con sprazzi di viola su sfondo bianco altri completamente bianchi. Quando i ricercatori hanno esaminato i livelli di RNA espressi dal gene responsabile per il color viola, i fiori bianchi avevano un livello molto basso. Questo risultato ha portato alla conclusione che le copie in più del gene determinavano lo spegnimento del gene endogeno stesso.

• Altre importanti scoperte sono state compiute grazie a ricerche condotte in piante negli anni novanta. Verso la fine degli anni novanta, Fire e Mello, hanno cominciato a scoprire i meccanismi sottostanti questo misterioso sistema per spegnere i geni. Iniettando dell’ RNA a singolo filamento trascrivente il gene di un muscolo di un verme non hanno ottenuto alcun effetto e nemmeno quando hanno provato a iniettare dell’RNA a singolo filamento antisenso. Tuttavia quando hanno iniettato entrambi i filamenti di RNA senso e antisenso contemporaneamente, il verme ha cominciato a perdere tono muscolare. I due filamenti senso e antisenso di RNA, formavano un doppio filamento di RNA (dsRNA) che interferiva con la traduzione del gene del muscolo in proteina.

• Subito dopo, David Baulcombe e Andrew Hamilton (Centro John Innes, Norwich, UK) hanno apportato ulteriori elucidazioni su questo meccanismo. Hanno scoperto che il dsRNA veniva spezzato in piccoli frammenti (siRNAs) responsabili del silenziamento genico. In particolare il dsRNA viene tagliato da una proteina chiamata dicer. I piccoli RNAs diventano a singolo filamento quando si legano a complessi di proteine dai quali protrudono per trovare molecole di RNA complementari. L’ mRNA complementare che sta per venir tradotto in proteina, viene riconosciuto e degradato. In questo modo il gene viene inattivato.

• Sia in animali che in piante l’RNAi rappresenta una difesa naturale contro l’invasione da materiale genetico, sia introdotto artificialmente, come negli esperimenti citati, che in natura, attraverso l’infezione virale. Inoltre questo sistema rappresenta uno dei tre metodi per regolare il silenziamento genico durante lo sviluppo. Oltre al suo naturale ruolo, l’RNAi può avere un’ incredibile applicazione nel campo medico. Essere in grado di colpire e silenziare geni espressi erroneamente, rappresenta un’ enorme speranza per il trattamento di malattie a carattere genetico.