Elementi di epigenetica

La moderna biologia sta sempre più abbandonando il quadro riduzionista e determinista per aprirsi verso una nuova visione che considera il genoma non come una sede centrale che impartisce istruzioni all'organismo, ma piuttosto come un dispositivo adattativo che risponde alle esigenze ambientali regolando l'espressione genica. L'epigenetica è in rapida espansione e concentra i suoi studi sui meccanismi molecolari attraverso i quali l'ambiente e la vita individuale agiscono in base alle informazioni contenute nel genoma. Questo nuovo approccio ricerca le relazioni esistenti fin dalle prime fasi della vita, a partire dalla concezione, con la salute del bambino e dell'adulto, offrendo una spiegazione dei meccanismi molecolari correlati allo stress e all'infiammazione, e le influenze sulla salute fisica e mentale.[1]

L’epigenetica si occupa in dettaglio di valutare i cambiamenti che intervengono a carico della struttura terziaria del DNA o delle proteine istoniche ad esso associate, quindi variazioni che non modificano la sequenza del DNA, sono capaci di alterare l’espressione di geni target in modo non definitivo, e trasmissibile (con limiti chiariti di volta in volta) alle generazioni future. Alterare l’espressione dei geni ha risvolti analoghi a quelli di una mutazione o di un polimorfismo funzionale, con la differenza che può essere modificata conoscendone gli elementi che l’hanno determinata. I meccanismi attraverso i quali tutto ciò può avvenire riguardano le metilazioni, le modifiche degli istoni e i meccanismi basati sugli RNA non codificanti.

Molte malattie complesse originano da simili interferenze che, per la loro reversibilità attraverso gli stili di vita (al solito alimentazione e attività fisica), rimarcano l’importanza di conoscere e studiare approfonditamente tali meccanismi in un’ottica di intervento connesso con la prevenzione e il trattamento di specifiche patologie oltre che per la possibilità di avere elementi predittivi della loro potenziale comparsa.

Ad esempio vivere in aree urbane, con una maggiore esposizione a sostanze chimiche, minori spazi verdi e una conseguente ridotta presenza di flora, fauna e vita microbica, è associato a disfunzioni immunitarie negli esseri umani. Il limitato contatto con la natura e il microbiota ambientale sembra correlato a una serie di malattie, tra cui allergie e diabete di tipo 1[2].

I meccanismi epigenetici sono estremamente complessi nel loro dettaglio, ma è possibile presentarne una panoramica semplificata, come quella indicata di seguito, sulla base dei fondamentali processi attraverso i quali operano le interferenze epigenetiche: metilazione/demetilazione del DNA, modifiche a livello degli istoni con rimodellamento della cromatina, RNA non codificanti. È sempre più evidente che questi processi non operano in modo disgiunto e autonomo, ma attraverso una ulteriore complessa interazione di più processi[3].

La metilazione del DNA rientra nel gruppo delle modificazioni epigenetiche e consiste nel legame covalente di un gruppo metilico al carbonio 5¹ della citosina presente nel DNA in specifiche regioni della catena (isole CpG di seguito meglio descritte). Le catene di DNA già descritte, che rappresentano i 2 filamenti della doppia elica, hanno un verso la cui parte iniziale è definita per una 5¹ e per l’altra (essendo antiparallele) 3¹, per ciascuna è quindi possibile individuare un verso che potrà essere 5¹ -> 3¹ oppure 3¹ -> 5¹. La formazione del legame covalente mediato dalla DNA metiltransferasi porta a metilazione della citosina in una regione specifica, questo crea un ingombro sterico che modifica l’accessibilità dell’apparato trascrizionale della cellula al DNA. Di fatto viene reso inaccessibile alla trascrizione il gene coinvolto e quindi la sua azione è repressa. Molte malattie cardiovascolari e la stessa progressione dell’aterosclerosi hanno riscontro con i meccanismi di metilazione. La metilazione globale del DNA può essere quindi utilizzata anche come biomarcatore del rischio soggettivo per malattie cardiovascolari e non solo. Esistono prodotti comunemente presenti in determinati alimenti che possono avere funzione demetilante specifica per alcuni geni o azione demetilante generica sull’intero DNA. L'attività demetilante restituisce l'espressione genica alla sezione di DNA coinvolta.

Anche prodotti capaci di contrastare l’azione ossidante possono agire modificando l’attività della metilazione e in tal senso l’attività fisica opera con un riscontro ancor più significativo e di seguito meglio descritto.

Le alterazioni del codice istonico sono un altro aspetto delle modificazioni epigenetiche, in questo caso si alterano alcune proteine istoniche con ripercussioni sulla struttura della cromatina inducendone uno stato più condensato che correla con una minore attivazione del DNA, la cui trascrizione procede quando la cromatina è meno condensata[4]. Anche in questo caso nutrizione e attività fisica possono concorrere alla regolazione delle modifiche a carico degli istoni, modulando sia l’istonedeacetilasi che l’istoneacetiltransferasi, anche come effetto di meccanismi connessi con la gestione dello stress ossidativo che si ripercuotono su acetilazione e deacetilazione. In ogni caso l'organizzazione e l'impacchettamento del DNA nella cromatina sono mediati dalla mutua interazione tra tutti i regolatori epigenetici: la metilazione del DNA, le modifiche degli istoni e i ncRNA (di seguito descritti) determinano la struttura specifica della cromatina e la conseguente espressione genica[5],[6].

Infine i meccanismi RNA-based coinvolgono RNA non codificanti (ncRNA) classificati in micro RNA[7] e long non coding RNA. Entrambi questi RNA non codificanti possono appaiarsi a specifici RNA messaggero, determinando la degradazione dell'mRNA se l’appaiamento è perfetto (meccanismo poco frequente), o un blocco della traduzione dell'mRNA se l'appaiamento non è perfetto (meccanismo più frequente), in entrambi i casi l'mRNA non viene espresso e indirettamente si ha un silenziamento (o più correttamente una down regolazione) dell'espressione genica. Sono quindi interventi epigenetici post-traduzionali o post-trascrizionali. Inoltre, come accennato, i miRNA possono indurre il rimodellamento della cromatina attraverso la regolazione della modificazione degli istoni, e possono influenzare la metilazione del DNA attraverso la regolazione delle metiltransferasi del DNA.

Nel genoma umano sono codificati più di 2800 miRNA, ed è stimato che almeno il 60% di tutti i geni umani sia regolato dai miRNA[8], che possono anche influenzare altri eventi epigenetici regolando i loro enzimi associati. Ad esempio alcuni miRNA modulano l'espressione di enzimi coinvolti nella maturazione cerebrale o l’insorgenza del cancro portando alla riduzione dell'ipermetilazione del DNA nei geni soppressori dei tumori[9].

I long non coding RNA (LncRNA) sono una classe differente, e la più diversificata, di ncRNA, più lunghi di 200 nucleotidi sono coinvolti nella regolazione post-trascrizionale e post-traduzionale dell'espressione genica. I LncRNA sono localizzati nel nucleo o nel citoplasma, raramente codificano proteine, sono meno conservativi tra le specie e di solito mostrano modelli di espressione specifici per cellula e tessuto. Circa il 60% dei LncRNA dei mammiferi sono trascritti dalle stesse regioni del DNA dei geni codificanti proteine, talvolta da un promotore comune, e di conseguenza sono reciprocamente regolati[10].

I ncRNA sono implicati nei processi di invecchiamento biologico, nello sviluppo di disturbi neurologici (inclusa la malattia di Huntington e l'Alzheimer), nelle malattie cardiovascolari[11] e nell'osteoporosi.

Le modifiche epigenetiche influenzano anche la rigenerazione muscolare, un aspetto cruciale sia per il trattamento di malattie muscolari che per la medicina rigenerativa in generale, oltre ad avere influenze nel comprendere alcuni processi adattativi legati all’attività fisica.

Le cellule staminali muscolari (MSCs) sono fondamentali per la riparazione e il mantenimento del tessuto muscolare post-natale. Il processo di rigenerazione muscolare coinvolge un complesso gioco di modificazioni epigenetiche che determinano l'attivazione o la repressione di specifici geni.

Le modificazioni istoniche, come del resto l'acetilazione e la metilazione, hanno un ruolo chiave nel determinare se un gene sarà trascritto o meno durante la rigenerazione muscolare. Queste modificazioni sono strettamente regolate da segnali ambientali e interni alla cellula, ma hanno un ruolo determinante nella regolazione post-trascrizionale i già citati microRNA (miRNA) che possono modulare la proliferazione e la differenziazione delle MSCs. In particolare nell’influenzare il destino delle MSCs che possono subire divisioni asimmetriche, generando una cellula che mantiene lo stato staminale e un'altra che procede verso la differenziazione, evidenziando come esistano diversi livelli di regolazione genetica e epigenetica che guidano il processo di riparazione e rinnovamento del tessuto muscolare.

A livello epigenetico non agisce solo alimentazione, attività fisica e stili di vita in senso generale, ma anche le condizioni di stress cronico che opera sui pattern di espressione genica. In particolare il gene codificante per il recettore dei glucocorticoidi (NR3C1), insieme ad altri geni correlati ai neurotrasmettitori, ai neuro ormoni e ai neuropeptidi, è ritenuto uno dei meccanismi molecolari alla base della patogenesi dei disturbi psichiatrici, ed è direttamente influenzato dai livelli di stress.

Perfino frequenti e durature avversità in fase infantile, oltre che livelli di stress cronico legato a eventi tipici della vita adulta, sono collegate a una maggiore metilazione del gene del recettore dell’ossitocina[12] con ricadute sul segnale del neuro ormone e sul suo ruolo nella sfera delle relazioni sociali.

Gli interventi psicoterapeutici in questo caso, non solo operano migliorando gli aspetti psicologici ed emotivi, ma hanno effetti positivi anche a livello epigenetico, riducendo la metilazione e migliorando le risposte biologiche in termini ormonali e immunitari. Una revisione sistematica su un campione significativo ha rilevato come gli interventi psicosociali, inclusa la terapia cognitivo comportamentale, sono associati a una riduzione dei marcatori infiammatori e un miglioramento della risposta immunitaria agli agenti virali[13].