Deborak RasàClaudia Reddavid

Sara RomanoEliana Russo

Facoltà di Medicina e ChirurgiaA.A. 2011/2012

Prof.ssa Cinzia Di Pietro

Il comportamento di un gene non dipende dal

genitore che lo trasmette

UGUALI PROBABILITA’ DI TRASMISSIONE

Sino a fine XX sec. Sono state poche le “eccezioni”.

PROTAGONISTE PRINCIPALI

LE MALATTIE A SINGOLO GENE

Originariamente si è poco attenzionata l’ipotetica relazione :

SESSO GENITORE

ESPRESSIONE o INESPRESSIONE DEL GENE NEL

FIGLIOOggi quella che era un’ipotesi si è concretizzata in effettivi

disordini genetici con un’espressione del fenotipo “condizionata”

IMPRINTINGGENOMICO

Dove possiamo trovare l’imprinting?

• Mammiferi placentati• Mammiferi marsupiali geni specifici• Piante da fiore

• Cocciniglie • Moscerini da fungo

• Tessuti extra-embrionali del topo• Tutti i tessuti dei marsupiali

Interi cromosomi

X paterno

Oggi si va alla ricerca di quei caratteri e quelle condizioni che non seguono l’ereditarietà

secondo Mendel

Questa è una delle più importanti sfide della genetica contemporanea

Concetto di IMPRINTING

Valido per fornire una spiegazione a tante osservazioni che contraddicono il modello mendeliano

KONRAD ZACHARIAS LORENZ

Il termine Imprinting è stato utilizzato per descrivere alcune osservazioni sul

comportamento animale.

Lorenz usò questo termine per i suoi studi sulle prima fasi di vita degli anatroccoli.

Origine del termine

IMPRINTING

Cosa significa Imprinting???

Il termine deriva dal verbo “to imprint”che significa “imprimere”

Dunque, l’imprinting è il processo che determina la realizzazione di questa

“impronta”, che, nel caso qui trattato, avviene nel genoma.

Il termine imprinting genomico è utilizzato in maniera specifica per indicare che qualcosa accade

durante un periodo “critico o sensibile” dello sviluppo.

Stadio in cui avviene la formazione delle cellule germinali.

Fase in cui le informazioni genetiche vengono “etichettate”.

I geni imprintati sono quasi sempre coinvolti nello sviluppo fetale.

Imprintingesempio di

cambiamento epigenetico.

Cambiamento ereditabile che non deriva da una mutazione

nella sequenza nucleotidica del DNA.

Il cromosoma è come un grande libro ricco di informazioni!!!

Altri esempi di cambiamenti epigenetici:

•Inattivazione del comosoma X•Differenziamento cellulare•Silenziamento dei trasposoni

L’IMPRINTING E’ CAUSATO DA UN’ALTERAZIONE DELLA CROMATINA

Modificazione covalente delle citosine, che porta all’alterazione dell’espressione del gene stesso e non alla modifica della sua sequenza nucleotidica.

• IMPRINTING MATERNO: viene silenziato l’allele materno ed espresso l’allele paterno

• IMPRINTINGPATERNO: viene silenziato l’allele paterno ed espresso quello materno

EFFETTO PATERNO

EFFETTO MATERNO

Nei topi il gene Igf2, che codifica per il fattore di crescita simile all’insulina 2, è un gene ad effetto paterno. La mutazione di questo gene porta allo sviluppo di topi nani.

Se la mutazione viene ad interessare l’allele materno ciò porta ad un regolare sviluppo del topino.

Nell’uomo sono stati trovati circa 100 loci sottoposti a imprinting genomico. Il fatto che un locus sia soggetto ad imprinting, non significa che anche quello adiacente ne

sia affetto. Può accadere anche che se un locus è soggetto a imprinting paterno, quello adiacente potrebbe essere

soggetto a imprinting materno, e viceversa.

Esempio di geni umani sottoposti ad imprinting sono il fattore di crescita insulino-simile 2, ad effetto paterno,

situato sul cromosoma 11, e il gene adiacente H 19, sottoposto invece ad imprinting paterno.

Un momento critico per la trasmissione dei geni imprinted è la gametogenesi

L’ovulo e lo spermatozoo devono essere sempre in grado di trasmettere il loro patrimonio

genico alla progenie

Nelle cellule germinali l’imprinting viene cancellato e poi ristabilito in base al sesso dell’individuo.

Durante la spermatogenesi viene stabilito un imprinting paterno, mentre durante l’ovogenesi

viene stabilito imprinting materno.

La figura mostra due topi che hanno un gene soggetto ad imprinting paterno.

Prima della gametogenesi, l’imprinting viene rimosso per poi essere reimpostato.

Nell’ovogenesi i due alleli costituenti il gene non saranno metilati, poiché dovranno essere espressi nel futuro zigote.Nella spermatogenesi invece gli alleli verranno metilati perché dovranno essere silenziati nel futuro zigote.

Al momento della fecondazione gli alleli saranno ricombinati diversamente rispetto alla prima generazione in quanto gli alleli hanno origine parentale diversa.

È il marcatore che distingue due copie di un gene altrimenti identiche

Ma come questa marcatura rende le cellule somatiche capaci di “ricordare” l’origine parentale di ciascuna delle due copie del gene e di regolare la loro espressione di conseguenza?

GRAZIE ALLA METILAZIONE DELLE CITOSINE

Isole CpG: sequenze CG che sono accoppiate esattamente alle stesse sequenze in orientamento opposto sull’altro filamento dell’elica di DNA

Da citosina a 5-metilcitosina

Nei DNA dei vertebrati una grande frazione delle citosine nella sequenza CG è metilata

A causa dell’esistenza di un enzima metilante, la metiltrasferasi di mantenimento (DNMT), una volta che uno schema di metilazione del DNA èstato stabilito, ciascun sito di metilazione viene ereditato dal DNA della progenie

MA…..poco dopo la fecondazione c’è un’onda di demetilazione che interessa l’intero genoma, quando gran

parte dei gruppi metilici sono perduti.

Nuovi schemi di metilazione sono stabiliti da parecchie metiltrasferasi de novo che modificano dinucleotidi CG non metilati

Lo schema di metilazione del filamento parentale èereditato immediatamente dopo la replicazione del

DNA

Effetti della metilazione del DNA di

imprinting:

� Silenziamento dell’espressione genica

� Attivazione dell’espressione genica

Modalità di silenziamento

Repertorio di proteine che si legano a DNA metilato

Interferenza del legame con proteine necessarie per l’inizio della trascrizione

Accesso bloccato a tutte le proteine compresa la RNA polimerasi

Metilazione della regione del promotore o delle sue sequenze regolatrice

Modalità di attivazioneIGF2 nel topo

� Nel cromosoma materno, la proteina CTCF si lega all’isolatore, bloccando la comunicazione tra enhancer e gene Igf2

IMPRINTING MATERNO

Modalità di attivazioneIGF2 nel topo

� Nel cromosoma paterno l’isolatore è metilato, bloccando l’attacco della proteina CTCF e permette all’enhancer di attivare la trascrizione del gene Igf2

EFFETTO PATERNO

MODIFICAZIONI COVALENTI DEGLI

ISTONI � Acetilazione di lisine

� Mono-, di-, trimetilazione di lisine

� Fosforilazione di serine

Esse avvengono sulle 8 code degli istoni N-terminali che sporgono dal nucleosoma

� Le code degli istoni possono essere marcate da combinazioni diverse di modificazioni

� Ciascuna marcatura dà un significato specifico al tratto di cromatina in cui avviene

Si parla di CODICE ISTONICO e del complesso che “legge e scrive gli istoni”

In questo esempio schematico le proteine che leggono e scrivono gli istoni, sotto la direzione di proteine regolatrici dei geni, stabiliscono una forma repressiva di cromatina. Una DNA metilasi de novo è attratta dal lettore degli istoni e metila citosine nelle vicinanze, che a loro volta sono legate da proteine che legano DNA metilato.

La capacità di una cellula figlia di mantenere una

memoria degli schemi di espressione genica che

erano presenti nella cellula madre è un esempio

di eredità epigenetica

SINDROME DI PRADER-WILLI (PWS)

• Colpisce un bambino su 15000-25000 nati vivi;

• È causata da un’alterazione del cromosoma 15;

• I primi la individuarono nel 1956: Andrea Prader,

Heinrich Willi e Guido Fanconi in Svizzera.

Nel 70 % dei casi c’è una delezione del braccio lungo

del cromosoma 15 ereditato dal padre:

Questi pazienti contengono solo le informazioni

genetiche della madre

I geni materni sono silenziati perché sotto imprinting genomico

mutazione del cromosoma 15

La regione deleta contiene i geni codificanti per la proteina Necdin o Necdina, tra i due geni ZNF127 e

SNRPN, che sono soggetti a imprinting

La necdina (NDN), membro della famiglia di geni MAGE

(melanoma-associated antigens), gioca un ruolo nella regolazione del

ciclo cellulare e dell’apoptosi.

E’ presente a livello neuronale dove sembra essenziale per lo sviluppo

degli assoni

L’ esone 1-3 SNRPN upstream reading frame codifica una proteina

di 71 aminoacidi ricca in Arg di funzione non nota.

Il promotore e il primo esone fanno parte del centro dell’imprinting (IC)

La perdita dell’allele paterno dà luogo ai disordini neurologici dei pazienti affetti da PWS

SINTOMATOLOGIA:

• Obesità• Abitudini alimentari eccessive• Mani e piedi piccoli• Bassa statura• Ipogonadismo• Ritardo mentale

Nel 25 % dei casi la sindrome è causata da disomia uniparentale materna

Manca il contributo genetico paterno

SINDROME DI ANGELMAN (AS)Malattia genetica rara

SINTOMATOLOGIA:

• Facies inusuale

• Bassa statura

• Ritardo mentale severo

• Spasticità

• Convulsioni

CAUSE

Delezione della stessa regione del cromosoma 15

ereditato dalla madre

Disomia uniparentale del cromosoma 15 paterno

Manca il contributo genetico materno

Il restante 5 % dei pazienti con AS e PWS sembrano avere nel centro dell’imprinting:

Errore da imprinting femminile a maschile durante la spermatogenesi

PWS

Errore da imprinting maschile a femminile durante l’oogenesi

AS

L’imprinting come possibile causa di disordini genetici

Perché l’imprinting debba esistere è un mistero. Qualunque sia il suo scopo, l’imprinting fornisce una prova sorprendente del fatto che si possono ereditare

caratteristiche del DNA diverse dalla sua sequenza nucleotidica.