Imprinting (genetica)
Definizione
L'imprinting genomico è un fenomeno epigenetico secondo cui l'espressione di un gene o di un gruppo di geni dipende dal sesso del genitore da cui è stato tramandato; perché un gene possa esprimere correttamente un fenotipo normale, è necessario che gli (alleli) siano uno di origine paterna e uno di origine materna. 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.
Origine del termine
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
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 sue alleli di un gene sia escluso dall'attivazione, in base al genitore (madre o padre) da cui il cromosoma recante l'allele stesso è stato ricevuto; 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 patena se viene silenziato l’allele paterno ed espresso quello materno. 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. E' stato stimato che nell'uomo circa 200 geni sono sottoposti a imprinting genomico. Un esempio 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.
Trasmissione dei geni sottoposti a imprinting
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. Durante l'ovogenesi i due alleli del gene non saranno metilati in quanto dovranno essere espressi nel futuro zigote, mentre 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
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) 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.
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 a monte di H19, subisce metilazione del DNA a livello dell'allele paterno.
Funzioni dei geni imprinted
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). E’ 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, dov’è sempre 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
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
La sindrome di Prander-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 Prander-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
- 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 PMID:19760320
