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Epigenetica

Si dice che noi siamo in nostro DNA, cioè quello che abbiamo ereditato dai nostri genitori, ma sarebbe meglio dire che noi siamo il nostro DNA con le sue interazioni biologiche e fisico-chimiche con gli elementi presenti nell'ambiente che lo circonda. La differenza tra genetica ed epigenetica può essere paragonata alla differenza che passa fra leggere e scrivere un libro.

<<Una volta scritto il libro, il testo (i geni e le informazioni memorizzate nel DNA) sarà identico in tutte le copie distribuite al pubblico. Ogni lettore potrà tuttavia interpretare la trama in modo leggermente diverso, provare emozioni diverse e attendersi sviluppi differenti man mano che affronta i vari capitoli. Analogamente l'epigenetica permette interpretazioni diverse di un modello fisso (il codice genetico) e può dare luogo a diverse letture, a seconda delle condizioni variabili con cui il modello viene interrogato (Martino, 2012; Allis et al. 2008)>>. 

E' questa la filosofia di base dell'Epigenetica, una disciplina relativamente nuova e quindi ancora in rapida espansione (per una docucmentazione analitica vedere nei Link utili: Zymo Research WEB site).

I meccanismi epigenetici sono fenomeni di modulazione genica dipendenti da una serie di fattori esterni alla cellula che possono influenzare lo sviluppo e la differenziazione cellulare. Infatti tutte le cellule di ogni organismo sono geneticamente identiche ma solitamente si differenziano in maniera fenotipica(i) dando luogo alla formazione e funzionamento di un organismo con i suoi organi e tessuti che risultano ovviamente molto diversi uno dall'altro. Esistono ormai numerose evidenze che molti fattori esterni dipendenti dall'ambiente e dal comportamento possono avere effetti, sia positivi che negativi, sui geni (da cui il termine epi-genetico(i)). La cosa non sorprende più del dovuto perché ci si si è sempre chiesto come potesse ogni cellula leggere lo stesso messaggio genetico conservato nel DNA per poi interpretarlo in modo diverso. Sappiamo infatti che il genoma umano è costituito da 23 coppie di cromosomi identici ed è paragonabile ad una biblioteca in cui vi siano appunto 46 libri, con un numero di pagine ciascuno compreso tra 400 e 3340 (appunto i geni) e un numero di lettere che in totale ammonta a circa 6 miliardi. E' la complessità stessa del sistema che suggerisce che basta "poco" perché ci possano essere delle variazioni indotte da fattori non genetici. Pertanto la presenza di interferenze ambientali, occasionali, periodiche o permanenti, può portare a modifiche della trascrizione e quindi a variazioni della codificazione genica senza cambiare (si noti bene) il codice del DNA(i).

Premesso che le informazioni del DNA per essere rese operative e dar luogo alla sintesi delle proteine devono essere trascritte in RNA(i) e che a questo scopo sono necessari fattori di trascrizione (anch'esse proteine) che si legano a regioni specifiche del DNA, è proprio in questo complesso procedimento che regola l'espressione genica che avviene l'intervento dei fattori ambientali.

Per esempio, uno dei meccanismi epigenetici più rilevanti consiste nella metilazione genica(i) di zone del DNA ricche di basi CG. Questa metilazione determina una modifica topologica(i) nella conformazione della cromatina(i) che diventa più compatta. In aggiunta il DNA metilato "attrae" dei repressori trascrizionali e interferisce con il legame di attivatori trascrizionali. La combinazione di tutti questi eventi determina un silenziamento dei geni metilati (Cheng et al. 2011). Esistono altre possibili modifiche epigenetiche quali: la modificazione di istoni(i) e trasposoni(i), la metilazione di miRNA (per una review completa vedere Ho et al. 2012 e tra i link utili Zymo Research WEB site).  Si ipotizza che malattie neurogenetiche importanti quali la schizofrenia, l'Alzheimer e anche la malattia indotta da prioni possano avere una base epigenetica mediata (appunto a livello epigenetico) da micromRNA (Saba et al., 2008).

Citosina, Citosina metilata e 5-idrossimetilcitosina.

E' noto da 40 anni che la citosina viene metilata sul quinto atomo di carbonio (5mC) e che la presenza del gruppo metile può determinare una modificazione dell'espressione genica. Più recentemente è stata però identificata una metilazione alternativa in cui la citosina assume un idrossimetile per formare una 5-idrossimetilecitosina (5hmC) con proprietà leggermente diverse dalla 5mC, e ancora più recentemente (2009) ne è stata riscontrata una elevta presenza nel cervello e si è iniziato a sospettare che essa possa avere un ruolo importante su alcune malattie di origine epigenetica. Una concentrazione particolarmente elevata di 5hmC è stata osservata oltre che nel cervello, in particolare nei neuroni, anche nelle cellule staminali embrionali (per saperne di più vedere l'Introduzione all'articolo di Yandell, 2014, vedi Link Utili).

Anche i metalli carcinogenici (ad eccezione del cromo) sono in generale dei mutageni relativamente blandi, pertanto si ritiene che non siano tanto i meccanismi genetici ad essere coinvolti nei processi di cancerogenesi, quanto piuttosto quelli epigenetici che a loro volta possono dar luogo a cambiamenti ereditari nella espressione genica e a malattie e carenze nello sviluppo. In particolare sembrano essere coinvolti i meccanismi di metilazione del DNA e le modificazioni post-traslazionali degli istoni. La review di Martinez-Zamudio e Ha analizza questi processi per arsenico, nichel, cromo, cadmio, mercurio (Martinez-Zamudio e Ha, 2011).

Bibliografia

Allis, D., Caparros, M.L., Jenuwein, T, Reinberg, D. (2008) Epigenetics, Cold Spring Harbor Laboratory Press, New York

Chen, T.F., Chouduri, S., Muldoon-Jacob K (2011) Epigenetic targets of some toxicologically relevant metals: a review of the litterature. Applied Tox. DOI 10.1002/jat2717

Ho, S.M., Johnson, A., Tarapore, P., Janakiram, V., Zhang, X., Leung, Y.K. (2012) Environmental lepigenetics and its implication on disease risk and health outcome. ILAR J. 53: 289-305

Martinez-Zamudio R., Ha, H.C. (2011) Evironmental epigenetics in metal exposure. Epigenetics 6:820-827

Martino, G. (2012) il cervello gioca in difesa. Storie di cellule che pensano. Mondadori Università Editore

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Il fenotipo è la effettiva manifestazione fisica di un organismo, in opposizione al genotipo, con tutte le sue caratteristiche ereditarie espresse o non espresse.
Aggiunta di un atomo di carbonio legato a tre idrogeni (gruppo metilico CH3)
Parti del DNA mobili all'interno del DNA, che influiscono sia sulla trascrizione che sul silenziamento di geni specifici.
Per inciso è opportuno distinguere la modulazione epigenetica dall'errore di trascrizione che può comunque accadere nei milioni di replicazioni cellulari che avvengono ogni giorno nel nostro corpo. In effetti di errori di trascrizione ne vengono commessi con una certa frequenza, ma fortunatamente gli organismi viventi hanno anche una grande capacità di ripazione di questi errori.
"sopra" la genetica, che si aggiunge alla genetica
RNA o acido ribonucleico, che differisce dal DNA per lo zucchero Ribosio (anziché desossiribosio) e l'Uracile (invece della Timina), responsabile della sintesi delle proteine
Istoni: proteine nucleari che impacchettano il DNA in nucleosomi
Cromatina: termine con cui si indica l'insieme di DNA e proteine cromosomiche presente nel nucleo delle cellule che durante la mitosi da origine ai cromosomi
Topologia, studio delle forme e dei luoghi di un oggetto. Nel nostro caso l'aggettivo indica una modificazione della forma in cui è organizzato il DNA.