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Imprinting genomico: cos’è e cosa causa

Come l’eredità materna e paterna influenzano l’espressione genica

Secondo le leggi mendeliane della genetica, l’espressione di un gene dipende dalla combinazione di due diversi alleli: uno sul cromosoma paterno e uno su quello materno. Tuttavia, si può verificare l’emizigosi quando l’espressione del gene dipende esclusivamente da un singolo allele (materno o paterno), e l’imprinting genomico ne è un esempio.

L’imprinting genomico (o impronta genetica) è un meccanismo di modulazione dell’espressione genica che modifica il DNA senza alterarne la sequenza nucleotidica. Permette la modulazione della trascrizione di alcuni geni in modo che venga espresso solo uno dei due alleli in quel determinato locus genico, ossia quello della madre o quello del padre.

Infatti, i gameti maschili e femminili presentano nel loro DNA determinate modificazioni che vengono ereditate dalla prole: ciascun individuo presenta alcuni geni con espressione monoallelica[1].

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La diploidia uniparentale permette lo sviluppo di un embrione?

La presenza di una marcatura molecolare sul DNA dei gameti fu scoperta grazie agli esperimenti indipendenti condotti dagli scienziati Solter e Surani verso la metà degli anni ’80. Crearono embrioni di topo ginogenetici (con due serie complete di cromosomi materni) e androgenetici (con due serie complete di cromosomi paterni), grazie alla tecnica del trasferimento nucleare. Infatti, all’interno dello zigote, tra la fecondazione e l’inizio della segmentazione, il nucleo della cellula uovo e quello dello spermatozoo rimangono separati, ed è possibile estrarne solo uno.

Nel primo caso asportarono il nucleo della cellula uovo sostituendolo con un secondo nucleo maschile per creare un embrione androgenetico. Nel secondo caso, invece, asportarono il nucleo dello spermatozoo sostituendolo con un secondo nucleo femminile per creare un embrione ginogenetico.

Nei rari casi in cui lo sviluppo embrionale proseguiva oltre la decina di cellule si osservarono gravi e diverse anomalie, tutte letali. Nei ginogenetici, l’embrione non presentava gravi anomalie, ma la placenta e il sacco vitellino avevano uno sviluppo molto scarso. Al contrario, negli androgenetici, il sacco vitellino e la placenta erano quasi normali, mentre l’embrione era poco sviluppato[1]. Questa condizione, ovvero la presenza di un corredo cromosomico esclusivamente materno o paterno, viene definita diploidia uniparentale.

Diploidia uniparentale nell’uomo

Nell’uomo, la diploidia uniparentale genera:

  • teratomi, quando entrambe le serie cromosomiche sono materne. Il teratoma è un tumore, di solito ovarico o testicolare, contenente derivati di tutti e tre i foglietti embrionali;
  • mola idatiforme, quando entrambe le serie cromosomiche sono paterne. La mola è una forma anomala di gravidanza in cui si ha una crescita smisurata del trofoblasto (tessuto cellulare che dà origine alla placenta), in assenza di tessuti fetali.

I risultati dell’esperimento dimostrano che nei mammiferi soggetti a imprinting genomico è necessario un corredo cromosomico proveniente da un maschio e da una femmina per un regolare sviluppo embrionale. Essendo la sequenza genica dei cromosomi materni e paterni uguale, è stata ipotizzata la presenza di modificazioni in grado di indurre il silenziamento selettivo di alcuni geni, definiti imprinted.

Patologie legate all’imprinting genomico

La delezione della regione 15q11-13 (cromosoma 15, braccio lungo, regione 11-13) causa sia la sindrome di Prader-Will sia quella di Angelman. La delezione di questa regione sul cromosoma paterno provoca la Sindrome di Prader-Willi (1/25 000 nati).

I sintomi comprendono:

  • ritardo mentale;
  • ridotto tono muscolare;
  • bassa statura;
  • appetito insaziabile che conduce a grave obesità[2].

Quando la delezione della regione 15q11-13 avviene sul cromosoma materno, insorge la Sindrome di Angelman (1/10 000 e 1/20 000 nati).

I sintomi comprendono:

  • ritardo mentale;
  • ritardo del linguaggio;
  • movimenti muscolari incontrollati;
  • crisi epilettiche;
  • comportamento inusualmente felice con riso ricorrente ed eccitabilità[2].

Entrambe le malattie possono essere dovute a:

  • delezione dell’intera regione cromosomica 15q11-13 (causa principale);
  • disomia uniparentale (quando entrambe le copie di un cromosoma provengono solo dal padre o dalla madre);
  • errore di imprinting;
  • mutazione.

Ruolo dell’imprinting genomico

Lo stato diploide conferisce all’organismo una miglior protezione contro possibili mutazioni deleterie sugli alleli. L’espressione monoallelica dei geni imprinted sembra, quindi, uno svantaggio evolutivo. Tuttavia, le modalità riproduttive delle specie soggette a imprinting genomico suggeriscono il significato di questo evento.

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Innanzitutto, l’imprinting genetico si verifica in:

  • mammiferi placentati;
  • marsupiali;
  • in alcune piante in cui l’endosperma ha una funzione simile a quella della placenta.

Nei mammiferi placentati e marsupiali, l’embrione è in grado di influenzare direttamente la quantità di risorse materne impiegate per la sua stessa crescita, mentre, nelle specie in cui è prevista la deposizione di uova, l’embrione non può avere un’influenza diretta sulle risorse materne. Questa diversa strategia riproduttiva suggerisce che l’imprinting genetico si sia evoluto per regolare il trasferimento di nutrienti tra la madre e il figlio[1].

Conflitto parentale

Ci sono varie teorie riguardo al significato evolutivo dell’imprinting genomico e, ad oggi, la più accreditata è quella del conflitto parentale. Secondo questa teoria, i geni espressi dai cromosomi paterni stimolano la crescita fetale attraverso lo sfruttamento delle risorse materne e, in questo modo, massimizzano la probabilità di sopravvivenza della propria prole.

Al contrario, il genoma materno limita la crescita dell’embrione attraverso una condivisione controllata delle proprie risorse che permette di ripartirle tra la madre e il figlio e, inoltre, di aumentare la possibilità di trasmettere il proprio genoma a eventuali altri embrioni. Questa teoria evidenzia lo scopo comune di entrambi i genitori: aumentare la propria fitness, ovvero la possibilità di trasmettere il proprio patrimonio genetico in modo ottimale[3].

Questa teoria è supportata dall’analisi di alcuni geni soggetti a imprinting:

  • i geni Peg3 e Mest, espressi dai cromosomi paterni, promuovono lo sviluppo del mesoderma. La loro mancata espressione provoca, nei topi, l’insorgere del ritardo di crescita intrauterino (IUGR)[2];
  • i geni H19 e Grb10, espressi dai cromosomi materni, regolano la crescita fetale e la proliferazione cellulare. La loro mancata espressione provoca, nei topi, una crescita fetale eccessiva[2];
  • il gene IGF2 è espresso dai cromosomi paterni, sia nel topo che nell’uomo, e codifica per la proteina detta fattore di crescita insulino-simile 2. Questa proteina promuove la divisione cellulare in molti tessuti fetali. In particolare, IGF2 è espressa a livello del trofoblasto della placenta. Quindi, quando nel topo viene eliminata la copia paterna dell’IGF2 si sviluppa una placenta ridotta e un conseguente embrione di dimensioni ridotte[4].

Dunque, i geni espressi dai cromosomi paterni promuovono la crescita fetale, mentre quelli espressi dai cromosomi materni limitano la crescita fetale.

Meccanismi di attuazione dell’imprinting genomico

Sono stati scoperti circa 100 geni imprinted nei topi e circa 50 nell’uomo. Esistono delle liste regolarmente aggiornate, come quella dell’università di Otago (http://igc.otago.ac.nz/), in cui è possibile verificare il numero e la tipologia dei geni sottoposti a imprinting.

L’imprinting genomico consiste nella metilazione delle regioni da silenziare: è aggiunto il gruppo CH3 (metile) alla citosina in posizione 5, all’interno delle isole CpG. Le isole CpG sono sequenze di DNA di circa 500 pb con una composizione di guanina-citosina maggiore del 50% e un rapporto di CpG osservato/atteso maggiore di 0.6.

Più dell’80% dei geni imprinted identificati sono riuniti in clusters, in 16 regioni genomiche. I clusters presentano regioni ricche di CpG. Queste regioni sono metilate solo su uno dei due cromosomi parentali e per questo sono definite “differentialy methylated regions (DMR)”. In alcune DMRs, la diversa metilazione è già osservabile tra spermatozoi e oociti e, quindi, si parla di DMRs gametiche. Queste ultime possono agire come regioni di controllo dell’imprinting (imprint control element, ICE) per le altre DMRs all’intero del cluster. Oltre alla metilazione del DNA, l’imprinting può riguardare la modificazione degli istoni e l’RNA non codificante[5].

Ciclo dell’imprinting genomico

L’imprinting genomico segue un ciclo, composto da:

  • instaurazione
  • mantenimento;
  • eliminazione.

L’instaurazione della marcatura molecolare avviene a livello germinale, all’interno delle gonadi. Si chiama metilazione de novo e viene stabilita in base al sesso dell’individuo. Nella gametogenesi maschile, la metilazione inizia intorno al quattordicesimo giorno embrionale e si conclude allo stadio neonatale. Nella gametogenesi femminile, la metilazione inizia a livello neonatale e si conclude quando l’oocita ha completato la sua maturazione.

Le modificazioni del gamete maschile e femminile sono trasmesse allo zigote grazie alla fecondazione e sono mantenute durante tutto il corso della vita dell’individuo. Nelle cellule germinali primordiali (PGCs) le modificazioni sono eliminate e ristabilite in base al sesso dell’individuo, in modo che possano essere trasmesse alla futura prole[5].

La metilazione avviene ad opera di enzimi, definiti DNA metiltransferasi (DNMT). Gli enzimi DNMT3A e DNMT3B, coadiuvati dall’enzima DNMT3L, sono responsabili della metilazione de novo, nelle cellule germinali primordiali.

Il mantenimento della metilazione è particolarmente importante nella fase pre-impianto, durante cui avviene un’estesa riprogrammazione epigenetica. L’enzima DNMT1 permette di mantenere la metilazione nella linea somatica (tutte le cellule dell’organismo, ad eccezione delle cellule germinali): metila il nuovo filamento, in base alle metilazioni presenti nel filamento parentale. Le cellule germinali primordiali, invece, seguono un destino diverso. In queste cellule avviene l’eliminazione dell’imprinting attraverso la demetilazione, passiva o attiva. L’enzima citidina deaminasi indotta dall’attivazione (AID) deamina (rimuove il gruppo -NH2) la 5-metilcitosina a timidina.

Quindi, si crea un appaiamento di basi timina-guanina scorretto che induce una riparazione del DNA che porta alla perdita della 5-metilcitosina. Inoltre, le proteine di traslocazione (TET1, TET2, TET3) catalizzano la conversione di 5-metilcitosina in 5-idrossimetilcitosina, che può facilitare la demetilazione passiva o costituire un intermedio della demetilazione attiva[5]. Quindi, l’eliminazione dell’imprinting genomico costituisce la premessa per poter definire nuove modificazioni, basate sul sesso dell’embrione.

Referenze

  1. Barlow, D. P., et al. (2014). Genomic Imprinting in Mammals. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology.
  2. Plasschaert, R., et al. (2014). Genomic imprinting in development, growth, behavior and stem cells. NCBI.
  3. Moore, T., Haig, D. (1991). Genomic imprinting in mammalian development: a parental tug-of-war. PubMed.
  4. Constância, M., et al. (2002). Placental-specific IGF-II is a major modulator of placental and fetal growth. Nature.
  5. Li, Y., Sasaki, H. (2011). Genomic imprinting in mammals: its life cycle, molecular mechanism and reprogramming. Nature.
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