IMPRINTING GENOMICO L’espressione di una piccola minoranza di geni, nei mammiferi, è determinata dalla propria origine parentale Una delle sfide più importanti della genetica contemporanea è quella di dimostrare quei caratteri e quelle condizioni che non seguono l'ereditarietà secondo Mendel. E' in questa prospettiva che il concetto di imprinting genomico ha assunto una crescente importanza, in quanto indica che non c’è un’equivalenza nell’espressione di alleli in alcuni loci, che dipendono quindi dall’origine parentale. È un concetto questo, che contraddice l'assioma mendeliano secondo il quale l'origine dell'informazione genetica non influenza l'espressione dei geni.

COME AVVIENE LA METILAZIONE DEL DNA? Le cellule somatiche diploidi contengono due copie di ciascun cromosoma, una ereditata dal padre ed una dalla madre. I cromosomi materno e paterno di una coppia sono chiamati omologhi, in quanto geni che controllano le stesse caratteristiche ereditarie sono localizzati sugli stessi loci. Di solito viene usata l’informazione contenuta in ambedue le copie geniche, ma alcuni geni vengono espressi solo se sono stati trasmessi dal padre, mentre altri solo se vengono trasmessi dalla madre. In questo caso necessita un marcatore per distinguere due copie di un gene altrimenti identiche. Tale marcatura si realizza tramite metilazione COME AVVIENE LA METILAZIONE DEL DNA? Nei mammiferi la percentuale di Citosine metilate è del 70%. Interessa le citosine (C), in posizione 5, delle sequenze dinucleotidiche CG. Nel genoma dei mammiferi vi sono circa 45.000 coppie CG che si estendono per 1-2 kb e sono localizzate in prossimità dei siti di inizio della trascrizione, costituendo regioni dette isole CpG

MECCANISMO DI IMPRINTING TESSUTO-SPECIFICO cellule somatiche si trasmette stabilmente per mitosi Metiltrasferasi di mantenimento (Dnmt1) SVILUPPO-SPECIFICO gameti si instaura ex novo dopo meiosi Metiltrasferasi de novo (Dnmt3a e Dnmt3b)

L’IMPRINTING DURANTE LA DIVISIONE CELLULARE La metiltrasferasi di mantenimento agisce da stampo sul filamento parentale, per la metilazione del nuovo filamento. Tale schema viene ereditato alle cellule figlie, assicurando in tal modo che nei tessuti differenziati sia mantenuto il profilo di espressione genica appropriato anche nel caso in cui le cellule vengano sostituite o ne siano aggiunte di nuove

L’IMPRINTING DURANTE LA GAMETOGENESI La metiltrasferasi de novo rinnova l’imprinting ad ogni generazione : quindi, durante la gametogenesi, l'imprinting viene cancellato e ripristinato successivamente in base al sesso del soggetto Il gene segue un imprinting paterno Femmina entrambi i geni che trasmette alla progenie NON saranno imprinted (entrambe le copie saranno attive) Durante la gametogenesi, il gene viene marcato in maniera sesso-specifica. L’imprinting è quindi un processo reversibile nel passaggio da una linea germinale ad un’altra: se un uomo ha un allele materno imprintato, la marcatura deve essere rimossa nei suoi gameti. Maschio saranno imprinted entrambe le copie (entrambe NON funzionanti)

Metilazione differenziale il gene B dei cromosomi sessuali ha imprinting paterno 1 2 3 X Y L' imprinting genomico influenza caratteri che non sono necessariamente determinati da geni localizzati sui cromosomi sessuali, anche se possono esserlo: nella gametogenesi dell’uomo sarà marcato (nel gamete X cosi come nel gamete Y), in quella della donna no (in entrambi i gameti X) lo zigote, che sia maschio (XY) o femmina (XX), presenterà la copia del gene B ereditato dal padre imprintato dopo la gametogenesi della seconda generazione, i geni B dei nuovi gameti saranno imprintati solo se il figlio è maschio (anche quelli sul cromosoma di origine materna che nelle cellule somatiche non lo erano) X X

LA METILAZIONE È REGOLATA DURANTE LO SVILUPPO per ristabilire l’imprinting nelle nuove cellule somatiche necessita l’intervento di Dnmt3a e Dnmt3b Per ogni embrione che si forma, l'imprinting viene azzerato e ristabilito, poiché subito dopo la fecondazione l’intero genoma subisce un’onda di demetilazione (ad opera di enzimi Demetilasi)

CHE COS’È L’ EPIGENETICA? modificazioni ereditabili della struttura della cromatina che influenzano l’espressione genica senza alterare il DNA La Biologia Molecolare sostiene che le informazioni ereditarie sono trasmesse attraverso meccanismi genetici. In realtà, lungo le generazioni, una cellula scambia con le cellule figlie anche informazioni non contenute nella sequenza di basi del DNA. L’epigenetica studia la trasmissione di caratteri ereditari non attribuibili direttamente alla sequenza di DNA. l’epigenoma può essere ereditato da generazioni di cellule, salvando lo stesso programma genico o puo’ cambiare (plasticità dell’epigenoma) l’epigenoma decide che gene deve essere “ON” oppure “OFF” in una singola cellula, tramite segnali di espressione genica Meccanismi di alterazione epigenetica sono alla base di molteplici patologie fra cui le neoplasie. Si può riprogrammare l’epigenoma cellulare con modulatori epigenetici. L’informazione epigenetica è meno permanente di un cambiamento della sequenza del DNA, e di solito (ma non sempre) viene cancellata durante la formazione di uova e spermatozoi La differenza non riguarda il genotipo, cioè la quantità e qualità dei geni ereditati, ma la loro espressione, cioè il fenotipo

COMPORTAMENTO DEL GENE IGF-2 Entrambi i topi hanno il gene sul cromosoma materno attivato, mentre quello sul cromosoma paterno è soggetto ad imprinting ed è quindi metilato. Prima della fase meiotica l’imprinting viene cancellato e poi reimpostato solo sul maschio dopo lo sviluppo delle cellule germinali. Il topo maschio (XY) ha lo stesso schema di imprinting dei genitori, mentre la femmina (XX) ha lo schema opposto. Questo diverso pattern d’imprinting può causare differenze fenotipiche nella progenie.

Il gene per il fattore di crescita simile all’insulina 2 (Igf-2) è necessario per la crescita prenatale. Topi che non lo esprimono hanno alla nascita metà delle dimensioni di un topo normale. Soltanto la copia paterna di Igf-2 è trascritta ed ha importanza per il fenotipo. Topi con un gene Igf-2 mutato di derivazione paterna sono nani Topi con un gene Igf-2 difettoso di origine materna sono normali

L’ISOLATORE IMPEDISCE AGLI ENHANCER DI INATTIVARE GENI INAPPROPRIATI Nella maggior parte dei casi la metilazione silenzia l’espressione del gene. In alcuni casi, però, l’imprinting può attivare la funzione di un gene. Nel caso di Igf-2 la metilazione di un elemento isolatore sul cromosoma di derivazione paterna ne blocca la funzione e permette ad un enhancer distante di attivare la trascrizione del gene Igf-2. Sul cromosoma di derivazione materna l’isolatore non è metilato e il gene Igf-2 non è trascritto. L’imprinting agisce a livello trascrizionale: è infatti nota l'esistenza di geni regolatori che controllano quali geni vadano accesi e quali spenti.

LA PROTEINA CTCF Sui cromosomi ereditati dalla femmina, la proteina CTCF si lega ad un isolatore, bloccando l’interazione fra l’enhancer e l’Igf-2, che non è quindi espresso. A causa dell’imprinting, l’isolatore sul cromosoma ereditato dal padre è metilato, ciò lo rende inattivo bloccando l’attacco della proteina CTCF, e permette pertanto all’enhancer di attivare la trascrizione del gene Igf-2.

MALFUNZIONAMENTO DELL’IMPRINTING La mancata efficienza di imprinting nelle cellule somatiche può portare al cancro. Le cellule cancerose, in certi casi di tumore maligno (di Wilms) e in molti casi di cancro al colon, hanno entrambe le copie di Igf-2 espresse, mentre invece è solo quella del padre che dovrebbe esserlo. Metilazione ridotta (espressione genica aumentata) di proto-oncogeni può portare al cancro; Metilazione eccessiva (espressione genica diminuita) di geni soppressori dei tumori può portare alla stessa conseguenza; Il tumore di Wilms è un nefroblastoma, ossia un tumore maligno che colpisce il rene. Esso rappresenta la neoplasia renale più frequente in età infantile. Cellule renali colpite dal tumore di Wilms

CURIOSITÀ Attualmente è stato provato che circa 60 geni umani sono soggetti ad imprinting. Nell’uomo la maggioranza dei geni soggetti a imprinting è autosomica. Molti dei geni umani soggetti a imprinting si trovano raggruppati in due localizzazioni principali nel genoma: una zona di circa 1 Mbp si trova sul cromosoma 11 mentre un secondo raggruppamento, esteso per 2,3 Mbp, si trova sul cromosoma 15. Alcuni di questi geni sono coinvolti nella regolazione della crescita del feto: i geni paterni partecipano a rimuovere i nutrienti in modo aggressivo dal corpo della madre, per cui sono espressi nel trofoblasto e nelle membrane extraembrionarie; i geni materni si oppongono all’effetto dei geni paterni, "proteggono la madre" provocando l’accumulo di nutrienti per le cellule discendenti, e sono espressi soprattutto nell’embrione.

IMPRINTING CROMOSOMA 15 SINDROME DI ANGELMAN SINDROME DI PRADER-WILLI La mancanza di un imprinting genetico corretto che coinvolge i geni del cromosoma 15 causa SINDROME DI ANGELMAN SINDROME DI PRADER-WILLI Due sindromi complesse che influenzano lo stato ormonale, il metabolismo e la capacità di movimento.

LA GENETICA DELLE MALATTIE DI PRADER-WILLI E DI ANGELMAN Le due malattie sono di solito causate da una microdelezione che colpisce il braccio lungo del cromosoma 15 ma, mentre nella PWS il cromosoma colpito è quello di origine paterna, nella AS è quello di origine materna. Il fatto che le due malattie siano clinicamente molto diverse è imputabile al fatto che i geni presenti in quella stes-sa regione genomica Nella PSW si ha imprinting sul cromosoma materno, mentre nella AS su quello materno. Ne consegue che alcuni geni, deleti nei rispettivi cromosomi omologhi, non vengono espressi. sono espressi diversamente nei cromosomi ereditati dall’uno o dall’altro genitore. Mentre la AS è causata dalla mancata espressione del solo gene UBE3A, la PWS è causata dalla mancata espressione di più geni.

Sindrome di Prader-Willi Delezioni di certe regioni cromosomiche causano un fenotipo differente se presenti sul cromosoma paterno o materno. Sindrome di Angelman Cromosoma materno PWS: solo il padre (cioè l’individuo XY della seconda generazione) trasmette la malattia, a causa della delezione sul cromosoma paterno. AS: solo la madre (cioè l’individuo XX della seconda generazione) trasmette la malattia, a causa della delezione sul cromosoma materno. Cromosoma paterno Sindrome di Prader-Willi

A PW Aspetti clinici: microbrachicefalia mani e piedi piccoli lingua protusa all’esterno spazio tra i denti ritardo mentale grave riso ingiustificato epilessia mani e piedi piccoli ipogonadismo obesità ritardo mentale medio facies caratteristica problemi comportamentali

PW: cause e sintomi, La malattia di Prader-Willi è causata nel 70% dei casi da delezione nel 25% da disomia uniparentale e il restante 5% da mutazioni che modificano il processo di imprinting: queste molteplici circostanze portano all’assenza del segmento 11-13 del braccio lungo del cromosoma 15 PATERNO. ipotonia centrale neonatale ed infantile, scarsa capacità suttoria che migliora con l’età; carente accrescimento nell’infanzia, problemi relativi alla deglutizione; alimentazione forzata; iperfagia che tra i 12 mesi e i 6 anni provoca un aumento di peso e l’obesità; facies tipica: corto diametro bifrontale, lati della bocca rivolti verso il basso, fessure palpebrali a mandorla; ipogonadismo, ipoplasie genitali, pubertà incompleta, sterilità lieve o medio ritardo mentale.

ANGELMAN: cause e sintomi Anche in questo caso la malattia è provocata dalla delezione del segmento del cromosoma 15, ma MATERNO. Essa è diagnosticabile tra i 3 e i 7 anni, periodo nel quale le caratteristiche sintomatiche diventano evidenti. I soggetti affetti compiono movimenti “a scatto”, velocemente, e ridono ingiustificatamente. microcefalia grave ritardo mentale atassia o anomalia completa nella deambulazione facies caratteristica: ipertrofia di lingua e mandibola, depressione occipitale, sclere blu epilessia e alterazioni motorie.

A cura di : Danilo Faraci Angela Iraci Gelinda Giadone