Biologia Molecolare 9.1 PDF - Le Modificazioni Chimiche degli Istoni

9.1 biologia molecolare 14-11-23 EPIGENETICA LE MODIFICAZIONI CHIMICHE DEGLI ISTONI Le modificazioni chimiche degli istoni come acetilazioni, fosforilazioni, metilazioni e ubiquitinazioni apportano cambiamenti nella conformazione della cromatina e quindi sono in grado di influenzare l’attività de...

9.1 biologia molecolare 14-11-23 EPIGENETICA LE MODIFICAZIONI CHIMICHE DEGLI ISTONI Le modificazioni chimiche degli istoni come acetilazioni, fosforilazioni, metilazioni e ubiquitinazioni apportano cambiamenti nella conformazione della cromatina e quindi sono in grado di influenzare l’attività dell’RNA polimerasi. Le estremità N-terminali (o ammino-terminali) degli istoni non sono assemblate in una conformazione tridimensionale specifica ma protrudono dal nucleo del nucleosoma. Così facendo, esse si rendono particolarmente accessibili, molecolarmente antigieniche, a proteine terze presenti all’interno del nucleo. Oltre alla sequenza nucleotidica, quindi, sono visibili e accessibili anche le modificazioni chimiche a carico degli amminoacidi presenti sulle estremità N-terminali. Le principali modificazioni chimiche a carico degli istoni sono: - Acetilazione - Metilazione - Fosforilazione - Ubiquitinazione IL CODICE ISTONICO Venti anni fa circa è stata introdotta un’ipotesi secondo la quale specifiche modificazioni chimiche che avvengo ad opera di specifici enzimi su residui ben individuati a livello delle estremità N-terminali degli istoni possono essere lette da una macchina molecolare capace di influenzare l’attività dell’RNA polimerasi e l’attività trascrizionale generale di una cellula. Il codice istonico può essere paragonato a un codice Braille presente su ciascuna delle estremità degli istoni. E' formato da diversi residui (es. acetile, metile, ubiquitina) posti in maniera differenziale sugli amminoacidi presenti in queste regioni. Non tutti i residui subiscono modificazioni chimiche, ma uno stesso residuo può subire diverse modificazioni (es. lisina può subire sia l'acetilazione che la metilazione). La sommatoria di tutte le modificazioni viene letta da una macchina molecolare specifica e quest’ultima trasmette all’RNA polimerasi la specificità dell'espressione genica e la “potency” di espressione genica, e cioè l’efficacia che la polimerasi deve avere nel trascrivere un certo gene in un determinato contesto cellulare. In altre parole, le modificazioni che specificano l’attività della polimerasi vengono lette da una classe di molecole che inducono una risposta trascrizionale specifica. Il grande vantaggio del codice istonico è che tutte le azioni chimiche che avvengono a carico degli istoni sono reversibili. Non viene, quindi, determinata in maniera irreversibile la tessuto specificità di espressione, ma viene determinata l’espressione di alcuni geni in un momento peculiare della vita di una cellula, di un tessuto o di un organismo. L’informazione può, inoltre, essere revertita. Le modificazioni chimiche che sono state Sbobinatore: Angelarita Bonfitto Revisore: Greta Tranchitella 9.1 biologia molecolare 14-11-23 spostate sui residui amminoacidici, infatti, possono essere tolte da alcuni enzimi che presentano un’attività chimica opposta. Sulle proteine in questione, infatti, lavorano de- acetilasi, de-metilasi, de-ubiquitinasi e fosfatasi: esse sono in grado di togliere i residui che sono stati posti dalle molecole che hanno scritto un determinato messaggio. Ciò è la chiave di interpretazione della varietà dal punto di vista spaziale e temporale dell’espressione genica all’interno delle cellule di un organismo multicellulare. Non bisogna, quindi, pensare al genoma come a un qualcosa di statico. Pur avendo la stessa base genetica, infatti, ciascuna cellula del corpo modula la qualità e la quantità degli mRNA prodotti in ogni momento, non in base all’informazione presente a livello del genoma (che è uguale per tutte le cellule), bensì grazie a complessi meccanismi che influenzano la risposta trascrizionale da parte dell’RNA polimerasi. Nella porzione N-terminale degli istoni lavorano su ogni singolo residuo diversi tipi di enzimi. Essi modificano chimicamente e in maniera diversa uno stesso amminoacido. Per quanto riguarda acetilazione e metilazione, esse cambiano il proprio risultato nei confronti dell’attività trascrizionale della polimerasi II a seconda del tipo di residuo che subisce la modificazione chimica (es. l’attività trascrizionale sarà pro-attivatoria o pro-inibitoria a seconda che sia acetilata o mutilata la lisina 4 o la lisina 27). Gli enzimi che lavorano sulla cromatina non sono specifici solo per gli istoni, ma sono espressi ad alto livello cellulare dalle cellule eucariote. Gli enzimi interpretano il messaggio di porre le modificazioni chimiche su un residuo piuttosto che su un altro. L'acetilazione è una modificazione chimica reversibile che vede spostare sul gruppo amminico di una lisina un gruppo acetile dall’acetil-CoA, molecola molto abbondante nel citoplasma delle cellule. L'enzima coinvolto è l'acetiltransferasi. È facilmente leggibile dalla macchina molecolare che interpreta il codice istonico perché il gruppo acetilico è voluminoso ed è in grado di neutralizzare una carica positiva. LA METILAZIONE DEL DNA La metilazione nelle cellule eucariote viene spesso correlata a un processo di repressione trascrizionale (es. l’inattivazione del cromosoma X e la formazione del corpo di Barr). Sbobinatore: Angelarita Bonfitto Revisore: Greta Tranchitella 9.1 biologia molecolare 14-11-23 Studiando in maniera sistematica l’epigenetica, ci si è resi conto che la metilazione del genoma poteva essere facilmente correlata a una sorta di guida nello sviluppo dei diversi tessuti in un organismo multiorgano durante lo sviluppo embrionale. Più specificatamente, essa poteva essere correlata con l’espressione tessuto-cellula specifica di alcuni geni. Si è poi visto come è organizzato il genoma dei vertebrati. Analizzando l’organizzazione dei promotori dei geni non espressi a livello di un determinato tipo cellulare, si è appurato che essi hanno un gruppo metile a livello delle citosine in posizione 5. Questo gruppo metile viene posto sul DNA neosintetizzato nelle fasi immediatamente successive alla replicazioni. Sui nucleosomi neo-assemblati ci sono delle macchine proteiche che spostano le modificazioni chimiche dai nucleosomi parentali a quelli di neosintesi. Dopo il passaggio della DNA polimerasi interviene un altro enzima che copia il profilo di metilazione di un gene, presente sul filamento parentale, sul filamento neosintetizzato. Successivamente la proteina MeCP2, che è una proteina strutturale priva di qualsiasi attività enzimatica, avvolge i gruppi metilici in corrispondenza dei geni che hanno subito metilazione e rende la zona inaccessibile alla polimerasi e agli enzimi che lavorano per attivare la trascrizione del gene, rendendo quest’ultima completamente spenta. Ad ogni ciclo di duplicazione il profilo di metilazione deve essere mantenuto. Gli enzimi che pongono i gruppi metilici sono delle metiltransferasi. Nei mammiferi ce ne sono due classi: - Metiltransferasi di tipo 1 (Dnmt1): è l’enzima che lavora immediatamente dopo la polimerasi ed è responsabile di riportare sul filamento neosintetizzato il profilo emi-metilato presente sul filamento parentale. Successivamente la proteina MePC2 abbraccia le zone metilate, sigillandole. La metiltransferasi di tipo 1 è detta anche metiltransferasi di mantenimento perché mantiene il profilo di metilazione tipico di una cellula di generazione in generazione. - Metiltransferasi de novo (Dnmt3A e Dnmt3B): le isoforme 3A e 3B aggiungono un gruppo metile in posizione 5 della citosina durante lo sviluppo embrionale. Sono quegli enzimi che, a partire dallo zigote, guidano le varie ondate morfogenetiche che portano allo sviluppo di un nuovo organismo. Entrambe le classi sono fondamentali soprattutto nello sviluppo embrionale dei vertebrati e nel mantenimento dell’identità specifica di ogni tipo cellulare (selfness). La delezione di queste classi di enzimi ha conseguenze drammatiche sullo sviluppo di un vertebrato. Sbobinatore: Angelarita Bonfitto Revisore: Greta Tranchitella 9.1 biologia molecolare 14-11-23 Nelle immagini, raffiguranti lo sviluppo embrionale di un topo a 9.5 settimane, si può notare il fenotipo derivante dall’ablazione dei due geni della Dnmt3A e Dnmt3B, in cui lo sviluppo viene bloccato a livello della gastrulazione, e il fenotipo derivante dall’ablazione del gene per la Dnmt1, in cui viene persa l’identità delle cellule. Sbobinatore: Angelarita Bonfitto Revisore: Greta Tranchitella