Il Genoma a ”n” Dimensioni: Regolazione e Funzione dell’Organizzazione Nucleare

Dulbecco Telethon Institute IRCSS Fondazione Santa Lucia at EBRI - Roma

Beatrice Bodega e Valerio Orlando

Le nuove frontiere della biologia 2009: "L'epigenetica questa sconosciuta”

18 marzo 2009

Epigenetica

Conrad Waddington,1942: Epigenetica: epigenesi + genetica

“The branch of Biology which studies the causal interactions genes and their products, bringing the phenotype into being”

Aristotele (384-322 a.c.)

Epigenesi

“The development of individual organic form from the unformed”

Definizione corrente di Epigenetica

S’intende qualsiasi diversità fenotipica che non sia correlata a differenze genotipiche; in sintesi: tutto ciò che concerne meccanisimi di ereditarietà nei quali l’informazione genetica non è limitata alla sequenza del DNA.

I meccanismi epigenetici sono la base per comprendere la relazione tra organismo e ambiente e influenzano il modo con cui i geni vengono espressi

Comprendere questi meccanismi rappresenta una delle frontiere della biologia

DNA RNA PROTEINA

Dogma Centrale della Biologia

Epigenetica

1 ggcggggcgc ggcgggggcg gcgctttgtg tgcagcagtg agccggggtc gggcggcggc atggaggagc tgagcagcgt gggcgagcag gtcttcgccg 121 ccgagtgcat cctgagcaag cggctccgca agggcaagct ggagtacctg gtcaagtggc 181 gcggctggtc ctccaaacac aacagctggg agccagaaga gaacattttg tgctcctagc cttccagaag aaggaacatg agaaggaggt tcagaaccgg aagagaggcaagagacccag gggcaggccg aggaaacaca cagtcacatc ctcctgcagc cggcgctcca 361 agctcaagga accagatgcg ccatccaaat ccaaatccag cagttcgtcc tcttcctcca 421 catcttcctc ctcttcctcg gacgaagagg aagacgacag cgacctagac tccaagaggcccccgggg ccgtgaaacc catccagtgc ctcagaaaaa agcccagatc ctggtagcca 541 agccagagct gaaggatccc attagaaaga aacggggacg caagcctcta cccccagaac 601 agaaggcagc tcggagaccc gtcagcctgg ccaaggtgct aaagaccacc aggaaggatc tggggacctc agccgccaag ctgccccctc cactcagcgc tccggtggca ggcctggctg ccctgaaggc ccacaccaaa gaggcctgtg gtggccccag cactatggcg accccagaga 781 acctggccag tctgatgaaa ggcatggccg ggagccccag cagaggcggc atctggcaga 841 gctccatcgt acactacatg aaccgcatga gccagagtca ggttcaggct tggcactcaa ggcccaggcc accaacaagt gcggtctcgg gctagacctg aaagtgaggacgcagaaggg gggtgagcta ggggggagcc ccgcaggagg caaggtcccg aaggcccccg 1021 gtggcggagc tgcagagcag cagagaggga accattcggg gagcccaggt gctcagctggcacccactca ggagttgagc cttcaggtcc ttgacttgca aagcgtcaag aacggtgtgc ctggtgtggg cctgcttgct cgccatgccc cagccaaggc tattcctgct accaacccag 1201 ccacagggaa aggtcctggg agcggcccca caggagcaaa catgaccaac gctcccacag 1261 acaacaacaa aggggaaaag ctgacttgca aggcaacggc tctgcctgccagcgggacac cgttaaaagc gtcgctgcct ccggcgggca ggagggccac gagaaggccg aaagccacct gcgctgtctg agctgagcac gggagaggag aatagtagct 1441 ctgactcgga ccctgactcg acctcgcttc ccagtgctgc gcagaaccta tctgtagcta 1501 tccagaccag ccaggactgg aaacctaccc gcagtctcat cgaacacgtc tttgtcacgg 1561 atgtcacagc caacctcatc actgtcaccg tgaaggagtc gcccaccagc gtgggcttct tcaacttgag gcattattga

Sequenza di DNA

“Nel mezzo del cammin di nostra vita mi ritrovai per una selva oscura, ché la diritta via era smarrita.”

……nelmezzodelcammindinostravitamiritrovaiperunaselvaoscurachéladirittaviaerasmarrita…

Dante Alighieri La Divina Commedia

Usare gli origami per spiegare l’epigenetica (N. Brockdorff, Oxford UK)

1 genoma “n” epigenomi

Tutte le cellule di un organismo sono uguali perché hanno lo stesso genoma Tuttavia, differiscono l’una dall’altra perché hanno un epigenoma diverso

Differenziamento

Omeostasi Cellula staminale Plasticità

Mantenimento

Organizzazione 3D dell’informazione genetica

Epigenoma

Organizzazione 2D dell’informazione genetica

Doppia elica e codice genetico

2 nm

Nucleosoma 11 nm

Solenoide 30 nm

Fibra di cromatina 300 nm

Cromosoma 1400 nm

Organizzazione e dimensione del genoma

Organizzazione spaziale del genoma nel tempo

Metafase

Interfase

5 ore 7 ore

3 ore 1 ora

Organizzazione spaziale del genoma in interfase Topologia nucleare interfasica ed architettura genomica

Organizzazione spaziale del genoma in interfase Territori cromosomici

L’architettura Nucleare influenza le Funzioni Nucleari

Lanctot 2007, Nature

I Territori Cromosomici Occupano Posizioni Probabilistiche e non Assolute nel Nucleo

L’architettura genomica deve essere interpretata alla luce della sua natura dinamica (cioè la mobilità cromatinica)

IN ALTRE PAROLE: L’ESATTA LOCALIZZAZIONE SPAZIALE DI UNA PORZIONE GENOMICA POTREBBE NON ESSERE IMPORTANTE QUANTO IL TEMPO IN CUI RIMANE IN QUELLA POSIZIONE

Lanctot 2007, Nature

Locus genico 1

Locus genico 2

Compartimento di repressione trascrizionale

Locus genico 1

Locus genico 2 Compartimento di attivazione trascrizionale

Mobilità della Cromatina

Lanctot 2007, Nature

nucleo

eterocromatina eucromatina

territorio cromosomico

All’interno dei compartimenti subcromosomici, i segmenti cromatinici possono subire protrusioni o invaginazioni risultanti in mobilità cromatinica (ANSE DI CROMATINA o LOOP CROMATINICI)

La mobilità dei singoli filamenti di cromatina varia rispetto alla specie, al tipo cellulare e allo stadio differenziativo

La regolazione dell’espressione genica viene intesa in più dimensioni

Mobilità della Cromatina

com

ples

sità

_

+

E P Gene

Elementi regolatori linearmente contigui al gene da esprimere

REGOLAZIONE MONO-DIMENSIONALE

nucleo

eterocromatina eucromatina

territorio cromosomico

La Regolazione dell’espressione genica è multi-dimensionale

P Gene L

Sequenze contigue ma distanti possono avere effetto sulla regolazione di un gene (Looping - Scanning model)

REGOLAZIONE BI-DIMENSIONALE

nucleo

eterocromatina eucromatina

territorio cromosomico

nucleo

eterocromatina eucromatina

territorio cromosomico

A B Stimolo A

B

REGOLAZIONE TRI-DIMENSIONALE

Geni localizzati su cromosomi diversi possono essere espressi o meno rispetto a quale regione occupano eterocromatina/eucromatina

nucleo

eterocromatina eucromatina

territorio cromosomico

REGOLAZIONE QUADRI-DIMENSIONALE

Stimolo B A B A

Geni localizzati su cromosomi diversi possono essere co-regolati nello stesso “loop cromatinico”

METILAZIONE DEL DNA

MODIFICAZIONI ISTONICHE

MOBILITA’ NUCLEOSOMICA

TOPOLOGIA DEI DOMINI CROMATINICI

ORGANIZZAZIONE NUCLEARE nucleo

eterocromatina eucromatina

territorio cromosomico

Livelli dell’Epigenoma

com

ples

sità

_

+

H2A tail

H2B tail H3 tail

H4 tail

Il nucleosoma come unità strutturale dell’Epigenoma

Differenti combinazioni di gruppi funzionali aggiunti alle code istoniche creano specifici segnali per attrarre o respingere complessi multiproteici deputati alla regolazione dell’espressione dei geni

Codice Istonico

Esempi di complessi proteici coinvolti nella regolazione epigenetica

Regolazione Epigenetica Integrata

Più complessi proteici agiscono insieme in modo coordinato

rimodellamento

Mobilità nucleosomica

Compartimentalizzazione dei processi nucleari

TRASCRIZIONE REPLICAZIONE RIPARO DEL DNA

Regolazione dell’Espressione dei Geni nei Loops cromatinici

Geni localizzati in domini diversi possono venire co-regolati mediante l’interazione tra anse di cromatina

Fraser P. and Bickmore W. Nature 2007

Territori cromosomici

TRASCRIPTION FACTORIES e foci ricchi in RNA PolII

Gene Kissing e Attivazione Trascrizionale

COMPLESSI DI REPRESSIONE (i.e. polycomb)

Territori cromosomici

Gene Kissing e Repressione Trascrizionale

la Co-localizzazione spazio-temporale di loci genici appartenenti a differenti cromosomi o a siti lontani sullo stesso cromosoma rappresenta un esempio dell’organizzazione tridimensionale del genoma

Chromosome or Gene Kissing

Lanzuolo 2007, Nat Cell Biol

Tecnologie per studiare l’organizzazione tridimensionale del nucleo

Combinando tecnologie di biochimica e biologia molecolare e cellulare con approcci di imaging avanzata tridimensionale e quadridimensionale (spazio-tempo) si può studiare l’architettura genomica di una cellula

3C TECHNOLOGY - Chromosome capture conformation ha una risoluzione di analisi che supera di gran lunga quella dei microscopi ottici convenzionali

DNA e RNA 3D-FISH è invece fondamentale per valutare la variabilità inter-individuale della popolazione cellulare e per poter discriminare tra i due alleli all’interno di una singola cellula

Measuring cis/trans interactions in vivo by Chromosome Conformation Capture (3C) technology

Epigenetica e Regolazione dei Geni

• INATTIVAZIONE DEL CROMOSOMA X

• DETERMINAZIONE DEL SESSO

• IMPRINTING GENOMICO

• DIFFERENZIAMENTO CELLULARE

• MEMORIA CELLULARE

Proc Natl Acad Sci U S A. 2005 Jul 26;102(30):10604-9. Epub 2005 Jul 11.

Epigenetic differences arise during the lifetime of monozygotic twins Fraga MF, Ballestar E, Paz MF, Ropero S, Setien F, Ballestar ML, Heine-Suñer D, Cigudosa JC, Urioste M, Benitez J, Boix-Chornet M, Sanchez-Aguilera A, Ling C, Carlsson E, Poulsen P, Vaag A, Stephan Z, Spector TD, Wu YZ, Plass C, Esteller M.

Epigenetica e Ambiente

Epigenetica e Malattie

Prader-Willy and Angelman syndromes Fragile X syndrome

Rett syndrome …

Tutte hanno in comune difetti nei geni che controllano i meccanismi epigenetici (e.g Methyl binding proteins, DNA-methyl transferases, Chromatin remodeling factors)

Anche i tumori hanno basi epigenetiche consistenti (Alterazioni globali della metilazione del DNA)

Epigenetica e Variabilità Inter-individuale

Quanto conta la variabilità nell’organizzazione tridimensionale del genoma per comprendere la variabilità esistente tra ciascuno di noi?

• Predisposizione alle malattie

• Polimorfismi Epigenetici

Perdere la Memoria per guadagnare una nuova vita

Controllare/modificare il livello epigenetico Per permettere alla cellula di riscrivere la propria storia

2001 Space Odissey, (S. Kubrick)

Il futuro della biologia nell’epigenetica

Riprogrammare cellule tumorali per farne regredire le caratteristiche di aggressivita’

Riprogrammare cellule specializzate per consentire la rigenerazione dei tessuti

TERAPIA CELLULARE

Il futuro della biologia nell’epigenetica

Il futuro della biologia nell’epigenetica

I GENI IN RETE

•  Identificare i codici molecolari che operano sopra (epi) il DNA

•  Identificare tali codici su tutto il genoma

•  Identificare le molecole che controllano il livello epigenetico (enzimi, RNA non codificanti)

Il futuro della biologia nell’epigenetica

Studiare e capire il genoma in termini di complessita’ e dinamicità, utilizzando i moderni approcci di genomica e System Biology e quindi poter prevedere meglio come funziona.

•  Sviluppare strategie terapeutiche nuove che sfruttino il potenziale di plasticita’ intrinseco del genoma.

•  Sviluppare farmaci che agiscono sulla rete in cui operano i geni e non sul singolo gene

•  Agire in totale sicurezza per il paziente.

APPLICARE QUESTE CONOSCENZE PER:

Il futuro della biologia nell’epigenetica

http://www.nature.com/nature/supplements/insights/epigenetics/index.html

http://www.epigenome-noe.net/

http://www.epigenome.org/

http://nihroadmap.nih.gov/epigenomics/

a

b

http://www.nature.com/nature/supplements/insights/epigenetics/index.html

http://www.epigenome-noe.net/

http://www.epigenome.org/

http://nihroadmap.nih.gov/epigenomics/