Imprinting (genetica)

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Definizione[modifica | modifica sorgente]

Con il termine di imprinting genomico si vuole indicare l'espressione differenziata di materiale genetico a seconda dell'origine parentale. Si tratta di un meccanismo di regolazione genica che riguarda un ristretto numero di geni (sono circa 70 geni), dato che molti di questi geni svolgono un ruolo rilevante nel differenziamento e nello sviluppo. Durante la gametogenesi si verifica una differente tipologia di imprinting: nella spermatogenesi si verifica un imprinting di tipo paterno, invece nell' oogenesi un imprinting di tipo materno. La differente metilazione di un determinato locus genico costituisce una sorta di "impronta", che impone l'espressione di uno solo dei due alleli di quel determinato locus genico, o quello materno o quello paterno. Al momento della fecondazione lo zigote subisce una demetilazione generale che interessa la quasi totalità del genoma, i geni sottoposti ad imprinting vengono esclusi da questo fenomeno, proprio perché la metilazione in questo caso serve ad indicare la provenienza parentale del gene. Poi prima dell'impianto della blastocisti avviene una prima fase di metilazione. Durante la formazione dei tessuti embrionali si verifica una fase di metilazione attiva e durante la fase di differenziamento delle gonadi si verificherà un pattern di metilazione specifico a seconda che a svilupparsi sia l'ovaio o il testicolo. Questo processo è detto anche riprogrammazione epigenetica. Un errato imprinting genomico sta alla base di diverse malattie genetiche come per esempio la sindrome di Prader-Willi, la sindrome di Angelman e la sindrome di Silver-Russel. Principali meccanismi di imprinting:

  • tessuto-specifico (cellule somatiche, si trasmette stabilmente, metiltransferasi di mantenimento)
  • sviluppo-specifico (gameti, si instaura ex-novo dopo meiosi,metiltransferasi ex novo)

Origine del termine[modifica | modifica sorgente]

Il termine deriva dall'inglese “imprint” che significa “impronta". La parola "imprinting" è stata usata per la prima volta in biologia da Konrad Zacharias Lorenz alla fine degli anni '30 per descrivere un particolare metodo di apprendimento degli animali durante le prime ore di vita.

Generalità[modifica | modifica sorgente]

L'imprinting, a differenza delle mutazioni che apportano un cambiamento nella sequenza nucleotidica del DNA, è un fenomeno epigenetico che influenza l'espressione genica ma senza alterarne la sequenza. Il processo implica che uno dei due alleli di un gene, sia escluso dall'attivazione, in base al genitore (madre o padre), da cui è stato ricevuto il cromosoma recante l'allele stesso. L'imprinting può essere quindi: 1) di origine materna, in questo caso viene silenziato l’allele materno ed espresso l’allele paterno; 2) di origine paterna, se viene silenziato l’allele paterno ed espresso quello materno. . Queste specifiche modificazioni parentali includono: la metilazione del DNA e modificazioni post-traduzione degli istoni, creando domini attivi e repressi allele-specifico nelle regioni di imprinting. Tale fenomeno è causato da un'alterazione a livello della cromatina: la metilazione delle citosine, che porta all’alterazione dell’espressione del gene e non alla modifica della sua sequenza nucleotidica. La metilazione del DNA rappresenta un marker per la distinzione delle due copie del gene altrimenti identiche. Lo schema di metilazione viene ereditato dopo la replicazione del DNA. Nei geni sottoposti a imprinting, quindi sarà sempre espresso o l’allele materno o paterno. Nel caso in cui siano presenti, in un locus regolato attraverso l'imprinting, un allele normale soggetto ad imprinting e un allele mutato, ad esempio per una delezione, non soggetto ad imprinting, si osserverà nell’individuo che possiede questi alleli un fenotipo patologico. Viceversa, una mutazione in un gene che non sarà espresso perché sottoposto a imprinting potrebbe passare inosservata. È stato stimato che nell'uomo circa 200 geni sono sottoposti a imprinting genomico. Degli esempi di geni umani sottoposti ad imprinting sono: 1) il gene che codifica per fattore di crescita insulino-simile II (Igf-2), sottoposto ad imprinting materno, 2) il gene H19 sottoposto invece ad imprinting paterno.Recenti evidenze supportano un ruolo per opposti pattern di eterocromatina ed eucromatina associati a modificazioni degli istoni sui cromosomi paterni e materni che facilitano l'espressione differenziale dei geni. La Trimetilazione dell'istone H3 alla lisina 4 (H3K4me3) e tri-metilazione dell'istone H3 alla lisina 9 (H3K9me3), sono modificazioni esclusive degli istoni che si associano rispettivamente con l’attivazione e la repressione degli alleli nella maggior parte delle ICR. Poiché la metilazione della lisina 9 richiama la proteina HP1, la cromatina risulta compatta.

Esempio di meccanismo dell'imprinting sul gene H19[modifica | modifica sorgente]

L'imprinting di questo gene è associato al gene Igf2, con cui condivide lo stesso locus genico e degli enanchers comuni.Sull'allele materno l'ICR del gene H19 non viene metilata e funge come elemento di legame con la proteina CTCF (CCCTC binding factor) che inibisce l'interzione degli enanchers con il promotore di Igf2, determinando la repressione del gene Igf2 e l'espressione del gene H19. Sull'allele paterno, l'impronta di metilazione presente sulla ICR di H19 non permette il legame con la proteina CTCF, permettendo di fatto il legame degli enanchers al promotore e perciò l'espressione di Igf2.


Trasmissione dei geni sottoposti a imprinting[modifica | modifica sorgente]

Un momento critico per la trasmissione dei geni imprinted è la gametogenesi. Nelle cellule germinali l'imprinting viene "azzerato" 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. Pertanto, prendendo come esempio il gene H19 (gene ad imprinting paterno) avviene che durante l'ovogenesi i due alleli del gene non saranno metilati in quanto dovranno essere espressi nel futuro zigote, mentre al contrario nella spermatogenesi saranno metilati perché dovranno essere silenziati nello zigote. Gli alleli durante la fecondazione saranno ricombinati in maniera differente rispetto alla prima generazione, avendo questi diversa origine parentale.

Presentiamo uno schema che permette di seguire l'imprinting dei geni IGF2 e H19, sottoposti a imprinting di segno opposto, lungo due generazioni successive; l'allele represso, che ha subìto l'imprinting, è marcato da un asterisco:

Padre: IGF2, H19* (cromosoma paterno); IGF2*, H19 (cromosoma materno)

Madre: IGF2, H19* (cromosoma paterno); IGF2*, H19 (cromosoma materno)

Durante lo sviluppo dei gameti:

Spermio: IGF2, H19* (imprinting rimosso dall'allele IGF2* e stabilito sull'allele H19)

Ovocita: IGF2*, H19 (imprinting rimosso dall'allele H19* e stabilito sull'allele IGF2)

Nuovo individuo: IGF2, H19* (cromosoma paterno); IGF2*, H19 (cromosoma materno)

Durante lo sviluppo dei gameti del nuovo individuo, se maschio:

Spermio: IGF2, H19* (imprinting rimosso dall'allele IGF2* e stabilito sull'allele H19)

Se femmina:

Ovocita: IGF2*, H19 (imprinting rimosso dall'allele H19* e stabilito sull'allele IGF2)

Collocazione dei geni sottoposti ad imprinting[modifica | modifica sorgente]

Nei mammiferi, alcuni geni sottoposti ad imprinting risiedono singolarmente nel genoma, ma la maggior parte, risiedono in domini o clusters lunghi circa 1 Mb. Questi domini sono presenti sia nel genoma ereditato dalla madre sia nel genoma ereditato dal padre; contengono, ovviamente, i geni sottoposti ad imprinting con l'aggiunta, spesso, di almeno un lungo tratto di RNA non codificante (ncRNA)di ~ 100 Kb di lunghezza, che regola l'imprinting dei geni adiacenti. In questi domini, i geni sono regolati in maniera coordinata da sequenze di DNA denominate imprinting control regions (ICRs). La delezione delle ICRs causa la mancanza di imprinting dei geni adiacenti. Le ICRs sono sottoposte alla metilazione del DNA a livello di un solo allele. A tal proposito è bene puntualizzare che, il più delle volte, le ICRs sono sottoposte alla metilazione del DNA a livello dell'allele materno; sono in numero minore, invece, le ICRs che subiscono metilazione del DNA a livello dell'allele paterno. Le ICR saggiate fino ad oggi, con una sola eccezione, utilizzano de novo DNMT3A e la sua attività è stimolata da DNMT3L ( molto probabilmente posiziona DNMT3A sul sito da metilare), a conferire metilazione del DNA sulle ICR nelle rispettive cellule germinali.L'eccezione è l’ICR di Rasgrf1, che è metilata nelle cellule germinali maschili e utilizza de novo le DNMT3B (DNA metiltransferasi). La ragione di questa differenza non è chiara.

Per comprendere meglio quanto illustrato sopra, segue un esempio di domino contenente geni sottoposti ad imprinting. Nel cromosoma 7 di topo, è stato individuato il dominio Igf2:

Il dominio Igf2 contiene tre geni sottoposti ad imprinting: insulin-like growth factor 2 (Igf2) espresso nel cromosoma di origine paterna, insulin 2 (Ins2) espresso nel cromosoma di origine paterna, l'ncRNA H19 espresso nel cromosoma di origine materna. L' ICR, posizionata tra 2 e 4 Kb a monte rispetto l'inizio della trascrizione di H19, subisce metilazione del DNA a livello dell'allele paterno. . La delezione di questa regione determina la perdita di imprinting sia nel gene H19 che Igf2 sugli alleli materni e paterni; a dimostrare che essa agisce come una ICR.E 'stato successivamente dimostrato che ICR lega CTCF, una proteina che media attività isolante al locus b-globina, e che la stessa ICR funziona come un isolatore. Un isolante è definito come un elemento che blocca l’interazione tra promotore e enhancer posizionandosi tra di loro. In questo caso gli enhancer sono condivisi dai 2 geni: H19 e Igf2. Sul allele materno, CTCF si lega al ICR e impedisce l'interazione di Igf2 con gli enhancer, consentendo H19 accesso esclusivo ai promotori. Sull’allele paterno, l'ICR acquisisce metilazione del DNA, impedendo il legame con CTCF. Così, nel cromosoma paterno, il promotore interagisce con gli enhancer e il gene Igf2 si esprime. Anche se è ormai accertato che l'ICR funge da isolatore CTCF-dipendente, la comprensione del meccanismo di isolamento rimane incompleta.

Funzioni dei geni imprinted[modifica | modifica sorgente]

L’imprinting genomico regola il controllo dell’espressione genica nei mammiferi placentati e marsupiali. L’imprinting di interi cromosomi, invece, è stato riportato nelle cocciniglie (genere Pseudococcus) e in moscerini da fungo (Sciara); in particolar modo, nei coccidi, è stata visualizzata la metilazione di interi assetti aploidi, o meglio l'eterocromatiizzazione dei cromosomi paterni, durante la differenziazione in senso maschile. Nei coccidi quindi, l'embrione maschile sarà aploide, da un punto di vista funzionale. Negli embrioni femminili, invece, non è stata riscontrata eterocromatiizzazione. Queste caratteristiche che contraddistinguono i coccidi, sono state tali da permettere di considerare questi organismi come oggetto di molti studi riguardanti gli eventi di metilazione del DNA. È stato inoltre osservato che l’inattivazione del cromosoma X si verifica con un meccanismo di imprinting nei tessuti extra-embrionali del topo e in tutti i tessuti dei marsupiali; in questi ultimi, in maniera particolare, è il cromosoma X paterno che viene silenziato. La maggior parte dei geni imprinted nei mammiferi ha un ruolo di controllo della crescita e dello sviluppo embrionale, incluso lo sviluppo della placenta. Altri geni imprinted sono coinvolti nello sviluppo post-natale.

Geni imprinted nelle piante[modifica | modifica sorgente]

Un fenomeno simile all’imprinting è stato descritto anche nelle piante da fiore (angiosperme). Durante la fecondazione della cellula uovo, un secondo evento di fecondazione separato, dà origine all’endosperma, una struttura extra-embrionale che nutre l’embrione in modo analogo alla placenta dei mammiferi. L’endosperma è spesso formato dalla fusione di due cellule materne con un gamete maschile; questo si traduce in un genoma triploide. Il rapporto irregolare dei genomi materno-paterno, sembra essere fondamentale per lo sviluppo dei semi. Alcuni geni si trovano ad essere espressi da entrambi i genomi materni, mentre altri sono espressi esclusivamente dalla sola copia paterna.

Esempi di malattie correlate all'imprinting[modifica | modifica sorgente]

La sindrome di Prader-Willi e la sindrome di Angelman

Entrambi le sindromi sono causate dalla perdita di uno o più geni nella regione q11-q13 del cromosoma 15. Questa regione cromosomica contiene i geni espressi paternamente (SNRPN e NDN)e il gene espresso maternamente (UBE3A). La perdita dei geni espressi dal padre causano la sindrome di Prader-Willi, mentre la perdita del gene espresso dalla madre causa la sindrome di Angelman. Nel bambino con PWS l’attività di alcuni geni della regione 15q11-q13 del cromosoma 15 di origine materna risulta soppressa per metilazione genica. Gli alleli ereditati dal padre sono necessari per uno sviluppo normale, ma per effetto della delezione/rottura avvenuta sul cromosoma paterno questi geni sono inattivi e si instaura il fenotipo PSW; tale sindrome è caratterizzata da ritardo mentale e della crescita, obesità di grado elevato, ipogenitalismo e ipotonia. Inoltre è possibile che la sindrome di Angelman possa essere causata dallo stesso meccanismo della PWS, tranne il fatto che nell'AS sono necessari, per uno sviluppo normale, gli alleli ereditati dalla madre. Quindi, gli alleli ereditati dal padre sono inattivi a causa della metilazione dovuta all'imprinting; l'AS è caratterizzata da ritardo mentale e della crescita.


NOEY2

NOEY2 è un gene imprinted espresso per via paterna, situato sul cromosoma 1 nell’uomo. La perdita dell’espressione di NOEY2 è legata ad un aumento del rischio di tumori dell’ovaio e del seno; nel 41% dei tumori dell’ovaio e del seno, la proteina trascritta da NOEY2 non si esprime, suggerendo che questo funzioni come gene soppressore del tumore. Pertanto, se una persona eredita entrambi i cromosomi dalla madre, il gene non sarà espresso e l’individuo sarà più a rischio per il cancro al seno e all’ovaio.


Altro

Altre condizioni che coinvolgono l'imprinting sono: la sindrome di Beckwith-Wiedemann , la sindrome di Silver-Russell e pseudoipoparatiroidismo.

Bibliografia[modifica | modifica sorgente]

  • Peter J. Russell, iGenetica, seconda edizione, Napoli, EdiSES S.r.l., 2007.
  • Peter Sudbery, “Genetica Molecolare Umana”, Bologna, Zanichelli editore S.p.A.
  • Weaver JR, Susiarjo M, Bartolomei MS Imprinting and epigenetic changes in the early embryo Mamm Genome (2009) 20:532-543
  • http://www.ncbi.nlm.nih.gov/gquery/?term=Imprinting
 PMID:19760320
  • Silence across the border, Wolf Reich and Adele Murrel
  • Methylation of a CTCF-dependent boundary controls imprinted expression of the Igf2 gene; Adam C. Bell & Gary Felsenfeld