EPIGENETICALa sinfonia

delle cellule

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L’EPIGENETICA E L’EVOLUZIONE

Egli sosteneva che tutti gli esseri viventi potessero evolverema non riuscì a fornire una spiegazione convincente deiprocessi evolutivi.

Ipotizzò che gli adattamenti all’ambiente, acquisiti in vitamediante l’uso e il disuso delle parti del corpo, fosserotrasmessi alla prole. Le giraffe avrebbero quindi sviluppatolunghi colli sforzandosi di arrivare alle foglie più alte.

Per molto tempo la sua teoria non venne presa inconsiderazione in quanto ritenuta impossibile (per esempio,i figli di un maratoneta non nasceranno mai con unamuscolatura già sviluppata simile a quella paterna).

All’inizio dell’Ottocento, il naturalista Jean-Baptiste

Lamarck pubblicò la sua teoria evoluzionistica.

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LAMARCK VS DARWIN

Nel 1859, Charles Darwin pubblicò“L’origine delle specie”, opera in cuiespose la sua teoria evoluzionisticabasata sulla selezione naturale: solo gliindividui dotati di caratteristiche piùvantaggiose nella lotta per l'esistenzasopravvivono e si riproducono.

Secondo lui la prima giraffa dal collo lungo

nacque così “per caso” e quel vantaggio

sarebbe stato trasmesso alle generazioni

successive.

Anche oggi questa è la teoria ritenuta

corretta, sostenuta anche dalla scoperta

delle mutazioni genetiche.

Charles Darwin

Jean-Baptiste Lamarck 4

LA “RIVINCITA” DI LAMARCK

É possibile che l’epigenoma subiscamodifiche a causa di alcuni fattori comel’ambiente e l’alimentazione; numerosistudi condotti sull’uomo e su altrimammiferi sostengono che alcunicambiamenti acquisiti vengono trasmessiai figli. Anche l’ereditarietà epigeneticapotrebbe quindi avere un ruolonell’evoluzione delle specie.

Grazie all’epigenetica, la teoria di Lamarck è stata però

rivalutata: essa sembra infatti confermare in parte la teoria

di Lamarck, poiché i segni epigenetici acquisiti sono

trasmessi alle cellule figlie.

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QUANDO SI SVILUPPA L’EPIGENETICA?

L’interesse sull’epigenoma si è moltorafforzato a seguito del “ProgettoGenoma Umano” iniziato nel 1990 eterminato nel 2003, che ha permessodi sequenziare il DNA umano.

Gli scienziati, sulla base delledifferenze fenotipiche, si aspettavanodi individuare all’incirca 100 mila geni:il PGU portò a ridurre il numero a 25mila (ad oggi il numero di geni èvalutato intorno a 21 mila).

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COME MAI QUESTO NUMERO INASPETTATO DI GENI?

Dopo questi risultati i ricercatorihanno pensato che le differenzefenotipiche fossero legate sì alledifferenze nelle sequenze fra lebasi azotate (sono identiche al99,5% fra due individui nonimparentati) ma ancora di più almodo in cui queste vengonoespresse, cioè all'epigenoma.

7

LA RICERCA INTERNAZIONALE

Nel 2006 gli scienziati del NationalInstitute of Health (USA) hanno propostoil progetto “Roadmap EpigenomicProgram” con l’obiettivo di tracciare lamappa dell’epigenoma di oltre 100tessuti diversi del corpo umano.

Dopo 7 anni di ricerche, che hannocoinvolto esperti di tutto il mondo, sullarivista Nature è stata pubblicata lamappa tracciata.

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I CENTRI DI RICERCA

I maggiori centri di ricerca sono rappresentati da universitàstatunitensi tra cui spiccano la John Hopkins ed Harvard. Anche laMayo Clinic di Jacksonville (Florida) è un importante centro diricerca.

In Europa invece è attiva la rete di laboratori “EuropeanMolecular Biology Laboratory” (EMBL), di cui i più noti sono quellidi Heidelberg (Germania) e di Monterotondo (Italia).

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… E IN ITALIA?

Si è concluso a Dicembre 2015 il “ProgettoBandiera Epigenomica” iniziato a Febbraio2012. É stata l’unica iniziativa italiana diricerca sull’epigenoma.

Il progetto ha coinvolto 70 gruppi di ricercaspecializzati in vari ambiti.

L’obiettivo principale è stato quello di fornireun quadro delle basi epigenetiche cheregolano vita, sviluppo e patologie sia dellecellule animali sia di quelle vegetali.

Nel mese di Maggio 2016 si terrà un meetingper discutere sulla continuazione del progettonei prossimi 3-4 anni.

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MA ALLORA COS’È L’EPIGENOMA?

L’epigenoma è l’insieme delle modificazioni delleespressioni dei geni che avvengono senzacambiamenti nella sequenza del DNA.

Ogni cellula del nostro corpo ha lo stesso DNAeppure una cellula cardiaca è diversa da unacellula epiteliale.

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COME MAI SONO DIVERSE?

Questo perché le varie cellule “leggono”diversamente il genoma, proprio come inun’orchestra in cui ogni strumento interpretalo spartito. Ciascuno strumento suona lapartitura, esprimendo di volta in volta suonidiversi. Le note sono identiche, ma i suonicambiano.

Allo stesso modo, il DNA resta uguale, ma inogni cellula si esprimono geni diversi.

La loro espressione non è immutabile: puòessere modificata in risposta a diversi stimolie questi cambiamenti possono passare dacellula a cellula attraverso la mitosi.

12

Entriamo in una cellula

del corpo umano per

analizzare i componenti

del genoma...13

Entriamo in una cellula

del corpo umano per

analizzare i componenti

del genoma...46 Cromosomi

Nucleo

14

46 Cromosomi

Nucleo

700 nm

Cromosoma in metafase

15

Superavvolgimento

Ø 300 nm

Fibra strettamente avvolta ad elica

Ø 30 nm

16

Nucleosoma

Ø 10 nm

DNA linker

Istone

17

Doppia elica di DNA

Ø 2 nm

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EPIGENOMA:“NOTE” CHIMICHE SUI CROMOSOMI

Come ogni direttore d’orchestra indica aimusicisti come vuole che sia suonata una sinfonia,così l’epigenoma aggiunge “note” chimiche alDNA, e queste determinano se quel gene siesprimerà molto o poco, se sarà attivo o inattivo.

Le modifiche epigenetiche avvengono attraverso:

La metilazione del DNA

Le modificazioni chimiche degli istoni

La produzione di specifici microRNA

19

Se il DNA viene metilato…

20

Me

Me

Me

Me

Me

Me

Me

Me

Me

Me

i corrispondenti geni si disattivano.

21

E SE CI SONO ERRORI NELLA METILAZIONE?

Negli ultimi anni, l’epigenoma è diventato uno dei principali oggetti di studiodella medicina perché modifiche epigenetiche causano gravi danni chepossono portare al malfunzionamento di strutture essenziali.

Infatti un errato livello di metilazione porta a problemi come l’invecchiamentoprecoce o all’insorgenza di malattie quali tumori, patologie correlate all’età,patologie neurodegenerative e diabete di tipo 2. Per questo l’analisi dei livellidi ipo- e iper- metilazione del DNA potrebbe rappresentare un importanteindicatore sia nella diagnosi sia nella prevenzione.

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GLI ISTONI

Il DNA è avvolto intorno a proteinechiamate istoni. Il maggiore o minorelivello di impacchettamento del DNA alivello dei nucleosomi controlla i livelli ditrascrizione genica. In condizioni diridotta attivazione, si genera unaconfigurazione nucleosomica chiusa, cheimpedisce il legame dei fattori ditrascrizione.

Il passaggio a una configurazione piùaperta dipende da modifiche chimichecome l'acetilazione e facilita l'accesso aifattori di trascrizione.

23

Quando gli istoni vengono modificati…

i diversi geni possono o no

essere esposti e quindi espressi.24

L’RNA

Gli ultimi studi sull’RNAhanno mostrato l’esistenzadi piccoli RNA: i microRNA ei long non-coding RNA.

Queste molecole non codificano per una proteina, ma alcontrario hanno funzioni regolative sui geni e possono favorirnecomportamenti oncosoppressori. Su queste molecole si èrafforzata negli ultimi anni la ricerca epigenetica.

É una prospettiva aperta da poco che attrae molte risorse per lesue potenzialità, sia in campo diagnostico sia in campoterapeutico.

microRNA

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Risposta allo stress

Stress ossidativo

Danno del DNA

Risposta infiammatoria

Metabolismo energetico

Turnover proteico

I geni maggiormente suscettibili alle modifiche

epigenetiche sono coinvolti principalmente nel

controllo dei seguenti processi:

26

Cosa può influenzare

il DNA?

Ambiente

Stress

Alimentazione

Attività Fisica

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L’AMBIENTE

Per capire in che modo l’ambiente possa influenzare il genoma,bisogna considerare che gli organismi pluricellulari sono costituitida vari tessuti e che i fattori ambientali hanno effetti più o menomarcati sulle specifiche cellule.

Inoltre il grado di esposizione di un tessuto ad un particolarefattore ambientale può determinare la sua suscettibilità adalterazioni epigenetiche specifiche.

Ad esempio se le radiazioni UV hanno un effetto specifico su unparticolare fattore epigenetico, allora questo sarebbe molto piùevidente nella pelle piuttosto che nel muscolo.

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Sviluppo embrionale Vita adulta

Luogo di vita e di lavoro

Trattamenti farmacologici

Dieta

Sostanze tossiche: alcool,

tabacco… Stile di vita materno

Specifici fenotipi della

madre e della placenta

Ambiente sano

Sviluppo normale

Ambiente nocivo

Malattie mentali

e metaboliche

Invecchiamento

ritardato

Sviluppo normale

Invecchiamento

precoce

Cancro29

L’ALIMENTAZIONE

Il cibo ha una funzione determinante perl’epigenoma umano.

Donne gravide che hanno patito la fame hannodato alla luce figli sottopeso e con alte probabilitàdi sviluppare problemi vascolari e psichiatrici.

Una dieta eccessivamente calorica (soprattutto sericca di zuccheri raffinati e grassi) causal’attivazione di alcuni fattori di trascrizione (es. NF-kB) che stimolano l’espressione di geni responsabilidella produzione di sostanze infiammatorie.

Al contrario esistono alcuni cibi che contrastano lamodifica epigenetica in senso infiammatorio: ilresveratrolo (uva rossa), la curcumina (curcuma), ilbutirrato e altri acidi grassi a catena corta.

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LO STRESS

Si è osservato che quando le cellule sono sottopostea stress o ad attacchi ambientali, la velocità dellemutazioni aumenta.

Questi stimoli attivano cambiamenti dell’espressionegenica e determinano la sintesi di proteine definite“proteine da stress”.

Gli immunologi hanno scoperto possibili connessionitra proteine da stress e malattie autoimmuni. Questeproteine infatti sono molto simili, per struttura efunzioni, agli antigeni di istocompatibilità e i geniche le codificano sono localizzati in sedi molto vicinea quelli per le proteine di istocompatibilità.

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L’ATTIVITA’ FISICA

Il movimento è vita in ogni senso. L’attivitàfisica ossigena il corpo, consente di mantenereefficiente il lavoro degli enzimi ed è un altroimportante fattore che crea mutazioniall’epigenoma.

Si sono osservati mutamenti nelle metilazionidopo un periodo di attività fisica sia a livellodel tessuto adiposo che di quello muscolare.Numerose ipometilazioni infatti potenzianol’espressione di geni regolatori delle funzionimitocondriali e del dispendio energetico.

Ne consegue una maggiore efficienza delmetabolismo energetico, dei meccanismi diriparazione del danno tissutale, delle difeseimmunitarie e degli antiossidanti.

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STILE DI VITA

Uno stile di vita sano ed attivo preservae migliora il benessere psico-fisico di unindividuo perché garantisce la pienafunzionalità del suo genoma e di quantoad esso collegato.

“Se ti curiamo oggi,ti aiutiamo oggi.

Se ti educhiamo oggi,ti aiutiamo per tutta la vita.”

Organizzazione Mondiale della Sanità

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L’EPIGENETICA E L’INVECCHIAMENTO

Invecchiando, i geni metilati diminuiscono.

Un gruppo di scienziati guidato da M. Esteller (I.I.B. di Barcellona) hascandagliato l’intero epigenoma di un neonato e di un centenario; le celluleanalizzate erano globuli bianchi e gli studiosi hanno rilevato che l’80% dellesequenze suscettibili era metilato nel neonato, mentre nel centenario solo il73%.

Analizzando poi il patrimonio epigenomico

di un ventiseienne si è scoperto che aveva

il valore intermedio del 78%.

Diversi studi hanno mostrato che

all’aumentare dell’età si accumulano errori

epigenetici che deteriorano il rigoroso controllo

del metabolismo, tanto che nell’anziano si ha la

de-repressione di molte regioni cromosomiche, mentre sono metilati geni che

proteggono dal rischio di tumori. 34

TUMORI ED EPIGENETICA

Nello sviluppo dei tumori, come recenti studi hanno mostrato, sonodeterminanti i cambiamenti epigenetici. Sono infatti numerosi gliindizi che portano a ritenere che la metilazione sia il processo chesilenzia i geni oncosoppressori.

Un obiettivo importante che la ricerca epigenetica si sta ponendoè l’individuazione dei meccanismi epigenetici alterati nei tessutitumorali rispetto a quelli sani.

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UNA DIFFICILE RICERCA

Identificare i processi epigeneticicoinvolti nella formazione dei tumoriè però assai complesso.

Prima di tutto per quanto riguarda ilnumero dei pazienti coinvolti: èdifficile per gli scienziati trovarneabbastanza per ottenere risultatiattendibili.

Un altro fattore critico è l’impossibilitàdi poter studiare tutti i tipi di tumore,poiché non sono tutti diffusi allo stessomodo.

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E LE MALATTIE NEURODEGENERATIVE?

Durante un workshop tenutosi all’internodel FENS 2014 (evento che riunisceesperti provenienti da tutto il mondo) èemerso che l’epigenoma potrebbe esserel’arma vincente contro le malattieneurodegenerative.

Una delle patologie che si stamaggiormente studiando è l’Alzheimer,che gli scienziati hanno scoperto esserecausato in parte da fattori ambientali ecomportamentali.

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Fattori ambientali e comportamentali intervengono nel processodi metilazione del DNA e sui microRNA.

Conoscere questi meccanismi diventa fondamentale nella curadelle malattie neurodegenerative, poiché essi coinvolgonoprocessi cognitivi come la memoria, l’orientamento spaziale, lacapacità di prendere decisioni e di programmare le azioni.

L’epigenetica può anche essere impiegata nella diagnosi diqueste patologie (es. un particolare tipo di mRNA ha unaconcentrazione molto elevata nel plasma e nel liquidocerebrospinale dei pazienti affetti da Alzheimer).

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GLI ANIMALI E LA RICERCA EPIGENETICA

Sempre durante il workshop delFENS 2014 è emerso che la ricercasugli animali è particolarmenteimportante dal momento che iprocessi epigenetici sono conservatia livello evolutivo. Infatti i modi incui il genoma impara dall’ambienterimangono ad esempio invariati nelmoscerino della frutta, nei roditori enell’uomo.

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LA NUOVA FRONTIERA DELLA MEDICINA: I FARMACI EPIGENETICI

L’epigenetica permette di adottare unnuovo approccio terapeutico per lediverse patologie.

Tuttavia, allo stato attuale si stannotestando farmaci che modificano lametilazione dei geni in modogeneralizzato, senza agire in manieraspecifica su quelli che causano lapatologia.

Al momento pochi sono stati approvati ealtri sono in fase di sperimentazioneclinica.

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FARMACO UTILIZZATO PATOLOGIA/E PER CUI É IN

SPERIMENTAZIONE CLINICA

4'-tio-2'-deossicitidina (TdCyd) Sperimentazione clinica per tumori alla

prostata

Epigallocatechina gallato

(estratto di tè verde)

Sperimentazione clinica per la cura di mielomi

multipli

Derivati della curcumina, acido

anacardico, garcinolo, chinolina

Sperimentazione clinica per la cura dei tumori

alla prostata, al colon e al pancreas in stato

avanzato

Panobinostat Sperimentazione clinica per il linfoma di

hodgkins e linfomi cutanei delle cellule T

Pracinostat Per i sarcomi metastatici

Givinostat Per neoplasmi nieroproliferativi

Sulforafano (isotiocianato trovato

nelle verdure crocifere)

Sperimentazione clinica per tumore alla

prostata

Mocetinostat In fase di test clinico per il tumore alla vescica

ALCUNI ESEMPI DI FARMACI EPIGENETICI

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SIAMO SICURI DELLA “FARMACOEPIGENOMICA”?

Questi farmaci che colpiscono l’interopatrimonio epigenomico di un individuopossono causare danni irreparabili?Quali sono gli effetti di una terapiaipometilante? E quelli di unaipermetilante?

Nonostante ogni trattamento abbia ipropri effetti collaterali, i farmaciriportati in tabella non hanno finoracausato gravi danni ai pazienti a cuisono stati somministrati.

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QUALI SONOLE PROBLEMATICHE ATTUALI?

I recenti progressi nello studio del genoma edell’epigenoma hanno consentito unamaggiore specificità dei farmaci epigenetici.

Tuttavia non è ancora possibile sintetizzaremolecole capaci di agire in maniera mirata suisoli geni malati, modificandoli e riportandonele caratteristiche epigenetiche ad uno statofisiologico.

Comunque, prima di poter fare valutazioniaffidabili sulla sicurezza dei trattamenti gliscienziati dovranno procedere ad un confrontofra i diversi risultati clinici internazionali.

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PER IL FUTUR0…

I ricercatori, sfruttando le tecnologie diultima generazione per il sequenziamentodel DNA, stanno cercando di raggiungere laTERAPIA MIRATA (“targeted therapy”).

Gli aspetti critici che devono affrontare sonoparecchi:

1. I costi poiché le nuove tecnologie hannocosti elevatissimi

2. La disponibilità di personale qualificato,che abbia un forte background scientifico

3. I tempi: la ricerca scientifica a livellisperimentali richiede tantissimo tempoper ottenere risultati validi e condivisi

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Curtis H, Barnes N. S., Schnek A., Flores G.

(2012), Invito alla biologia.blu PLUS, Zanichelli,

Bologna. Tratta temi sull'ereditarietà, sulla

regolazione dell'espressione genica e sul rapporto

fra variabilità genetica ed evoluzione

indispensabili per la comprensione dei meccanismi

genomici e epigenomici

Vineis P. (2014), Salute senza confini, Codice

Edizioni, Torino. In "Il paesaggio epigenetico"

(cap. 6, pp75-87) l'autore sostiene che i

mutamenti dell'alimentazione e dello stile di vita

legati alla globalizzazione possono influenzare

l'epigenoma e quindi la salute umana.

Skinner M. K. (2014), Un nuovo tipo di eredità,

in "Le Scienze", N. 554, ottobre 2014, pp. 54-

61. L'autore sostiene che numerose osservazioni

(esperimenti sui ratti e dati relativi alle

conseguenze dell'esposizione delle donne alla

diossina) sostengono che tratti epigenetici possono

essere ereditati; potrebbero così influenzare i

percorsi dell'evoluzione.

G. Sabato (2012), Le stagioni dell'epigenetica, in

"Le Scienze", N. 528, agosto 2012, p. 32.

L'autore tratta in particolare del rapporto fra

epigenetica e invecchiamento

Nestler E. J. (2012), Il codice epigenetico della

mente, in "Le Scienze", N. 522, febbraio 2012,

pp. 64-71. L'autore propone diversi esempi di

modificazioni epigenetiche nei tessuti cerebrali

provocate da fattori chimici (es. esposizione a

cocaina) o comportamentali (cure materne); lo

studio di tali cambiamenti potrebbe aprire la

strada a terapie nuove per le malattie anche di

tipo psichiatrico.

Dott.ssa Elena Sturchio (2013), “Biotecnologie:

Ricerca e Produzioni Industriali”, Atti del Corso

di formazione per gli studenti del IV e V anno,

INAIL, 14 Marzo 2013, Roma

BIBLIOGRAFIA

45

SITOGRAFIA

http://www.lescienze.it

http://tedxtalks.ted.com/video/TEDxOU-Courtney-Griffin-Epigene

http://www.unipv.eu

http://www.uniparthenope.it

http://www.informasalus.it

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed

http://www.nature.com/collections/vbqgtr

https://www.youtube.com/watch?v=W3Kg9w-srFk

http://www.lankelot.eu/scienze

http://www.focus.it

http://www.treccani.it/enciclopedia

http://www.panorama.it/scienza/salute

http://www.gene-abc.ch/it

http://www.supercomputing.it/

http://ebook.scuola.zanichelli.it/sadavabiologia

https://commons.wikimedia.org

https://images.google.com46

Al Dott. Frazzi Raffaele, ricercatore presso il Laboratorio

di Biologia Molecolare ed Ematologia dell’Arcispedale

“Santa Maria Nuova” di Reggio Emilia, per averci

aiutato nella ricerca relativa ai tumori, alle malattie

neurodegenerative e alla “farmacoepigenomica”;

Al Dott. Bicciati Silvio, professore associato di

Bioingegneria Industriale dell’Università di Modena e

Reggio e partecipante al “Progetto Bandiera

Epigenomica”, per le informazioni riguardanti i centri di

ricerca.

UN RINGRAZIAMENTO PARTICOLARE

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Alessandro Azzolini

Alex Cingi

Ilaria Ferrari

Insegnante - Tutor: Prof.ssa Luisa Pavarini

Classe 5A

Anno Scolastico 2015/2016

Liceo Scientifico “Aldo Moro” - Reggio Emilia

REALIZZATO DA

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