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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”
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
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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
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
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 in interfase Topologia nucleare interfasica ed architettura genomica
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
_
+
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
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
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
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/