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.

OPERA, ELENA, TOTEM

CERN the European Organization for Nuclear Research, is the biggest particle physics laboratory in the world

Tre buone ragioni per parlare del CERN di Ginevra (prendendo per buone le ragioni del lapsus riportate dal ministro  La Russa ieri a Ballarò)

OPERA experiment reports anomaly in flight time of neutrinos from CERN to Gran Sasso

L'esperimento OPERA ha osservato fasci di neutrini viaggiare alla velocità della luce + 20/milionesimi, dal CERN  per 730 km fino al laboratorio del CNR-INFN  sotto il  Gran Sasso.

 Nuovi risultati sono stati presentati via webcast su http://webcast.cern.ch. 
Giornalisti hanno potuto fare domande via  twitter usando il tag #nuquestions, o  via il canale del CERN press office. 
I risultati di questa collaborazione rsono disponibili sul server arxiv.org: http://arxiv.org/abs/1109.4897.

• The OPERA result is based on the observation of over 15000 neutrino events measured at Gran Sasso, and appears to indicate that the neutrinos travel at a velocity 20 parts per million above the speed of light, nature’s cosmic speed limit. Given the potential far-reaching consequences of such a result, independent measurements are needed before the effect can either be refuted or firmly established. This is why the OPERA collaboration has decided to open the result to broader scrutiny. 
• The OPERA measurement is at odds with well-established laws of nature, though science frequently progresses by overthrowing the established paradigms.
•  “When an experiment finds an apparently unbelievable result and can find no artefact of the measurement to account for it, it’s normal procedure to invite broader scrutiny, and this is exactly what the OPERA collaboration is doing, it’s good scientific practice,” said CERN Research Director Sergio Bertolucci. “If this measurement is confirmed, it might change our view of physics, but we need to be sure that there are no other, more mundane, explanations. That will require independent measurements.”

TOTEM: Quando il protone diventa più grande

 

Un braccio del detector per la misurazione del diametro dei protoni

• The TOTEM experiment at the LHC has just confirmed that, at high energy, protons behave as if they were becoming larger. In more technical terms, their total cross-section – a parameter linked to the proton-proton interaction probability – increases with energy. This phenomenon, expected from previous measurements performed at much lower energy (CERN SppS Collider and the Tevatron), has now been confirmed for the first time at the LHC’s unprecedented energy.

 ELENA: Extra-Low-Energy Antiprotons
la costruzione di ELENA è prevista nel 2013, con i contributi delle principali nazioni industriali.

• Geneva, 28 September 2011. The kick-off meeting for ELENA, the Extra Low Energy Antiproton Ring, starts today at CERN¹. Approved by CERN Council in June this year, ELENA is scheduled to deliver its first antiprotons in 2016. This week’s kick-off meeting brings together scientists from Canada, Denmark, France, Germany, Japan, Sweden, UK and USA.

• “ELENA is a new facility aimed to deliver antiprotons at the lowest energies ever reached in order to improve the study of antimatter,” said CERN’s Stéphan Maury, Head of the ELENA project.
• ELENA will consist of a small new decelerator ring that will be installed in same building that houses CERN’s existing Antiproton Decelerator (AD). It will slow antiprotons down to under a fiftieth of the current AD energy, bringing an improvement of a factor of 10-100 in antiproton trapping efficiency. At the AD, antiprotons have to be slowed down by passing them through a series of foils, a process that results in the loss of some 99.9% of the antiprotons extracted from the AD before they reach the experiments
• “This is a big step forward for antimatter physics. Going to extra low energy increases the trapping efficiency for antiprotons, which will not only improve the research potential of existing experiments, but will also allow CERN to support a wider range of antimatter experiments,” said Walter Oelert, an antimatter pioneer at CERN, who has actively supported the ELENA project.
• Ever since the Nobel Prize winning discovery of antiprotons in 1955, these particles have proved to be an important research tool. In the 1980s, they played a pivotal role in the discovery of the W and Z particles at CERN, which also led to a Nobel Prize.
• CERN’s achievements with low-energy antiprotons include the trapping and accumulation of large numbers of antiprotons in the early 1990s, which led to very precise comparisons of protons and antiprotons. In 1995, the first antiatoms - antihydrogen - were created at CERN, opening the way to new experiments on antimatter and, more recently, the trapping of antihydrogen atoms. One experiment at the AD has also made preliminary studies of the potential for using antiprotons in cancer therapy. In the future, experiments will make detailed comparisons of hydrogen and antihydrogen atoms, and measure the influence of gravity on antiprotons.
• Construction of ELENA is scheduled to begin in 2013, in parallel with AD running. When complete in 2016, ELENA will be able to support more experiments than the AD can today, giving CERN - a laboratory best known for the high-energy frontier of particle physics - a grandstand seat at the low-energy frontier.

immagini, cartoons

easternblot.net
questa è un' immagine da Easternblot che  dà una visione immediata (un filo che si smaglia) di un cromosoma che si sfilaccia come il capo di un filo di una maglia, infatti il DNA è un doppio filamento di acidi nucleici  attorcigliato ad elica e raggomitolato in diverse strutture sempre più compatte

                                                                  cromosoma e DNA

in un post precedente abbiamo parlato del DNA, di come è formato, e di come la sua struttura a doppia elica sia stata confermata scientificamente con la cristallografia a raggi X (Dorothy Hodgkin ne fu una sviluppatrice), mentre Rosalind Franklin aiutò il gruppo di scienziati di Cambridge  in particolare Francis Crick per le sue acquisizioni sulla struttura del DNA che confermavano la presenza di una alfa elica, avvolta in due forme, "A" e  "B".

• Franklin and Gosling discovered that there were two forms of DNA: at high humidity (when wet), the DNA fibre became long and thin; when it was dried it became short and fat. These forms were termed DNA 'B' and 'A' respectively. She also specified the amount of water to be found in the molecule in accordance with other parts of it, data that have considerable importance in terms of the stability of the molecule.
• By January 1953, Franklin had reconciled her conflicting data and had started to write a series of three draft manuscripts, two of which included a double helical DNA backbone. Her two A form manuscripts reached Acta Crystallographica in Copenhagen on 6 March 1953, one day before Crick and Watson had completed their model. Franklin became angry when Watson suggested she did not know how to interpret her own data. Watson hastily retreated, backing into Wilkins who had been attracted by the commotion. Wilkins commiserated with his harried friend and then changed the course of DNA history with the following disclosure. Without Franklin's permission or knowledge, Wilkins showed Watson Franklin's famous photograph 51. Watson, in turn, showed Wilkins a pre-publication manuscript by Pauling and Corey.  Franklin and Gosling's photo 51 gave the Cambridge pair critical insights into the DNA structure. Franklin's research was completed by February 1953, ahead of her move to Birkbeck, and her data were critical. Model building had been applied successfully in the elucidation of the structure of the alpha helix by Linus Pauling in 1951. Since Franklin had decided to transfer to Birkbeck College and Randall had insisted that all DNA work must stay at King's, Wilkins was given copies of Franklin's diffraction photographs by Gosling. By 28 February 1953 Watson and Crick felt they had solved the problem.

• Franklin, and the research group she headed, focused on the structure of RNA, a molecule equally central to life as DNA. RNA actually constitutes the genome (central information molecule) of many viruses, including tobacco mosaic virus.

 Quindi, tornando al problema iniziale, la domanda è come fanno delle molecole lunghe e contenenti gruppi fostato,  con cariche negative sui carbossili e sugli ioni fostato, a rimanere compatte e a non respingersi tra loro, e quali analisi fisiche e chimiche hanno permesso di trovare la soluzione a queste domande
La presenza di cariche positive sugli ammino acidi lisina e arginina, nelle proteine istoniche, e la formazione di legami elettrostatici con i gruppi fosfato riesce a neutralizzare la tendenza a respingersi insita nel filamento di DNA e dell'RNA virale. 

Come in un nucleo atomico non sarebbe possibile tenere insieme diversi protoni carichi, altrettanti neutroni e gli elettroni con cariche opposte ai protoni, se il numero di queste cariche elettriche non fosse bilanciato (e formati dalle diverse particelle di varia natura, alla base della fisica quantistica)
 Inoltre, seguendo le leggi della termodinamica, l'entropia è la tendenza di un sistema a passare da uno stato  ordinato ad uno disordinato, quindi senza fornire energia l'entropia tenderebbe ad aumentare. In un nucleo, occorre fornire energia, in termini di ATP idrolizzato, per mantenere la struttura del DNA compattata (grazie agli enzimi topoisomerasi e girasi).

Il DNA è un polimero lunghissimo. Il genoma umano contiene più di un miliardo di lettere (nucleotidi)
Dal sito Treccani:

• Quanto è lungo il DNA di una cellula?

Nell'uomo il codice genetico è formato da circa tre miliardi di nucleotidi; poiché la distanza media tra due nucleotidi successivi in un filamento è dell'ordine di circa 0.2 nanometri (nm; 1 m = 1 miliardo di nm), il DNA contenuto in ogni cellula ha una lunghezza di circa 1 m ed è spesso solo 2 nm. Per poter essere contenuto in una cellula grande 10 micron (1m = 1 milione di micron) questo lunghissimo filamento deve necessariamente ripiegarsi su se stesso e formare strutture di complessità crescente che siano adatte a mantenerlo in forma compattata, con una lunghezza pari a circa 500 milioni di volte il suo diametro.

Poxvirus: vaccinia virus (virus del vaiolo). L'informazione genetica è contenuta in un filamento a DNA singolo di dimensioni notevoli, come è stato oservato grazie al microscopio elettronico, che non sfrutta la luce come sorgente di radiazioni ma un fascio di elettroni.
The virion is exceptionally large, its size is around 200 nm in diameter and 300 nm in length and carries its genome in a single, linear, double-stranded segment of DNA.


Nucleo (1)

 I nuclei, i mitocondri, i cloroplasti sono strutture proteiche e lipidiche che racchiudono spazi interni in cui sono contenuti e compressi filamenti di DNA e RNA. 
I nuclei, i mitocondri e i cloroplasti si isolano grazie alla centrifugazione in gradiente di densità, che dopo un certo tempo permette a strutture dello stesso peso di stratificarsi sullo stesso livello di una provetta. In soluzioni di glucosio, saccarosio o mannitolo a diverse concentrazioni, certi organelli arrivano sul fondo della provetta ed altri no, in presenza di cloruro di cesio 6 Molare,  DNA cromosomici e plasmidici (colorati con etidio bromuro) sono visualizzati agli UV come bande sospese e aspirati con una siringa.
Un metodo per estrarre il DNA da un organello è la sospensione in soluzioni iperosmotiche, che determinano la rottura della membrana. La presenza di sali  caotropici e agenti denaturanti come il guanidinio cloruro e guanidinio tiocianato permette poi l'allontanamento delle proteine, perchè rompono le interazioni idrogeno, ioniche e quelle idrofobiche, e sono usati per la purificazione degli acidi nucleici, in particolare dell'RNA.
L'eucromatina è l'organizzazione spaziale del DNA che è accessibile alle proteine e quindi viene trascritta, mentre l' eterocromatina, è una struttura silenziata perchè bloccata da complessi proteici di repressione

il DNA è un doppio filamento avvolto su una scaffalatura di  istoni (nucleosoma) che impacchetta il DNA in diversi ordini di grandezza (nucleosomi, bande di filamenti solenoidi) che riesce così a essere contenuto in 23 coppie di cromosomi nel nucleo della cellula (superavvolgimento).

Ad esempio, il cromosoma 1 nell'uomo contiene 220 milioni di coppie di nucleotidi.

questo post vuole essere un contributo al Carnevale della Fisica #23 di settembre, dal tema "L'infinitamente grande e l'infinitamente piccolo", ospitato sul blog Scientificando di Annarita Ruberto, che apprezzo per i suoi contributi sulla comunicazione della Scienza e dell'insegnamento delle scienze, vedi Matematicamente e altri argomenti e raccoglitori...

e infine, questo cartoon tratto dal sito xkcd

blog

 a proposito di blogs, e di comunicazione, si può visionare il contenuto del sito avanzando il tasto Next o quello random... bellissime vignette.....