IMPRINTING GENOMICO

21
L’espressione di una piccola minoranza di geni, nei L’espressione di una piccola minoranza di geni, nei mammiferi, è determinata dalla propria mammiferi, è determinata dalla propria origine origine parentale parentale

description

IMPRINTING GENOMICO. L’espressione di una piccola minoranza di geni, nei mammiferi, è determinata dalla propria origine parentale. COME AVVIENE LA METILAZIONE DEL DNA?. Le cellule somatiche diploidi contengono due copie di ciascun cromosoma, una ereditata dal padre ed una dalla madre. - PowerPoint PPT Presentation

Transcript of IMPRINTING GENOMICO

Page 1: IMPRINTING  GENOMICO

L’espressione di una piccola minoranza di geni, L’espressione di una piccola minoranza di geni,

nei mammiferi, è determinata dalla propria nei mammiferi, è determinata dalla propria

origine parentaleorigine parentale

Page 2: IMPRINTING  GENOMICO

Le Le cellule somatiche diploidicellule somatiche diploidi contengono due copie di ciascun contengono due copie di ciascun

cromosoma, una ereditata dal padre ed una dalla madre. cromosoma, una ereditata dal padre ed una dalla madre.

I cromosomi materno e paterno di una coppia sono chiamati I cromosomi materno e paterno di una coppia sono chiamati

omologhiomologhi, in quanto geni che controllano le stesse caratteristiche , in quanto geni che controllano le stesse caratteristiche

ereditarie sono localizzati sugli stessi ereditarie sono localizzati sugli stessi lociloci. Di solito viene usata . Di solito viene usata

l’informazione contenuta in ambedue le copie geniche, ma alcuni l’informazione contenuta in ambedue le copie geniche, ma alcuni

geni vengono espressi solo se sono stati trasmessi dal padre, geni vengono espressi solo se sono stati trasmessi dal padre,

mentre altri solo se vengono trasmessi dalla madre. In questo mentre altri solo se vengono trasmessi dalla madre. In questo

caso necessita un marcatore per distinguere due copie di un caso necessita un marcatore per distinguere due copie di un

gene altrimenti identiche. Tale marcatura si realizza tramite gene altrimenti identiche. Tale marcatura si realizza tramite

metilazionemetilazione

Interessa le citosine (C), in posizione Interessa le citosine (C), in posizione 5, delle sequenze dinucleotidiche CG. 5, delle sequenze dinucleotidiche CG. Nel genoma dei mammiferi vi sono Nel genoma dei mammiferi vi sono circa 45.000 coppie CG che si circa 45.000 coppie CG che si estendono per 1-2 kb e sono estendono per 1-2 kb e sono localizzate in prossimità dei siti di localizzate in prossimità dei siti di inizio della trascrizione, costituendo inizio della trascrizione, costituendo regioni dette regioni dette isole CpGisole CpG

Page 3: IMPRINTING  GENOMICO

TESSUTO-SPECIFICOTESSUTO-SPECIFICO

cellule somatichecellule somatiche si trasmette stabilmente per si trasmette stabilmente per mitosimitosi

• Metiltrasferasi di mantenimentoMetiltrasferasi di mantenimento

((Dnmt1Dnmt1))

SVILUPPO-SVILUPPO-SPECIFICOSPECIFICO

gametigameti si instaura ex novo dopo si instaura ex novo dopo meiosimeiosi

• Metiltrasferasi de novo Metiltrasferasi de novo

((Dnmt3a e Dnmt3bDnmt3a e Dnmt3b))

Page 4: IMPRINTING  GENOMICO

La La metiltrasferasi di mantenimento metiltrasferasi di mantenimento agisce da stampo sul agisce da stampo sul

filamento parentale, per la metilazione del nuovo filamento. filamento parentale, per la metilazione del nuovo filamento.

Tale schema viene ereditato alle celluleTale schema viene ereditato alle cellule figlie, assicurando in figlie, assicurando in

tal modo che nei tessuti differenziati sia mantenuto il profilo tal modo che nei tessuti differenziati sia mantenuto il profilo

di espressione genica appropriato anche nel caso in cui le di espressione genica appropriato anche nel caso in cui le

cellule vengano sostituite o ne siano aggiunte di nuovecellule vengano sostituite o ne siano aggiunte di nuove

L’IMPRINTING DURANTE LA DIVISIONE L’IMPRINTING DURANTE LA DIVISIONE CELLULARECELLULARE

Page 5: IMPRINTING  GENOMICO

La La metiltrasferasi de novometiltrasferasi de novo rinnova l’imprinting ad ogni rinnova l’imprinting ad ogni generazione : quindi, generazione : quindi, durante la gametogenesi, durante la gametogenesi, l'imprinting viene cancellato l'imprinting viene cancellato e ripristinato e ripristinato successivamente in base al successivamente in base al sesso del soggettosesso del soggetto

L’IMPRINTING DURANTE LA L’IMPRINTING DURANTE LA GAMETOGENESIGAMETOGENESI

FemminaFemmina

entrambi i geni che trasmette entrambi i geni che trasmette alla progenie NON saranno alla progenie NON saranno imprinted (entrambe le copie imprinted (entrambe le copie saranno attive)saranno attive)

Il gene segue un imprinting Il gene segue un imprinting paternopaterno

Maschio Maschio

saranno imprinted entrambe le saranno imprinted entrambe le copie (entrambe NON funzionanti) copie (entrambe NON funzionanti)

Page 6: IMPRINTING  GENOMICO

X

Y

X

il il gene Bgene B dei cromosomi sessuali ha imprinting dei cromosomi sessuali ha imprinting paternopaterno

X

1 32

Page 7: IMPRINTING  GENOMICO

LA LA METILAZIONEMETILAZIONE È REGOLATA DURANTE LO È REGOLATA DURANTE LO SVILUPPOSVILUPPO

Per ogni Per ogni embrioneembrione che si forma, che si forma, l'imprinting viene azzerato e ristabilito, l'imprinting viene azzerato e ristabilito, poiché subito dopo la fecondazione poiché subito dopo la fecondazione l’intero genoma subisce un’onda di l’intero genoma subisce un’onda di demetilazione demetilazione (ad opera di enzimi (ad opera di enzimi DemetilasiDemetilasi))

per ristabilire per ristabilire l’imprinting nelle l’imprinting nelle nuove cellule nuove cellule somatiche somatiche necessita necessita l’intervento dil’intervento diDnmt3aDnmt3a e e Dnmt3bDnmt3b

Page 8: IMPRINTING  GENOMICO

modificazioni modificazioni ereditabili della ereditabili della struttura della struttura della cromatina cromatina che che influenzano influenzano l’espressione l’espressione genica senza genica senza alterare il DNAalterare il DNA

La differenza non La differenza non riguarda il genotipo, riguarda il genotipo, cioè la quantità e cioè la quantità e qualità dei geni qualità dei geni ereditati, ma la loro ereditati, ma la loro espressione, cioè il espressione, cioè il fenotipofenotipo

L’informazione epigenetica è L’informazione epigenetica è meno permanente di un meno permanente di un cambiamento della sequenza cambiamento della sequenza del DNA, e di solito (ma non del DNA, e di solito (ma non sempre) viene cancellata sempre) viene cancellata durante la formazione di uova durante la formazione di uova e spermatozoie spermatozoi

Page 9: IMPRINTING  GENOMICO

Entrambi i topi hanno il gene sul cromosoma materno attivato, mentre quello sul cromosoma paterno è soggetto ad imprinting ed è quindi metilato.Prima della fase meiotica l’imprinting viene cancellato e poi reimpostato solo sul maschio dopo lo sviluppo delle cellule germinali.Il topo maschio (XY) ha lo stesso schema di imprinting dei genitori, mentre la femmina (XX) ha lo schema opposto.

Questo diverso pattern d’imprinting può causare Questo diverso pattern d’imprinting può causare differenze fenotipiche differenze fenotipiche nella progenie.nella progenie.

Page 10: IMPRINTING  GENOMICO

Il gene per il fattore di crescita simile all’insulina 2 (Igf-2) è necessario per la crescita prenatale. Topi che non lo esprimono hanno alla nascita metà delle dimensioni di un topo normale. Soltanto la copia paterna di Igf-2 è trascritta ed ha importanza per il fenotipo.

• Topi con un gene Igf-2 mutato di derivazione paterna sono nani

• Topi con un gene Igf-2 difettoso di origine materna sono normali

Page 11: IMPRINTING  GENOMICO

Nella maggior parte dei casi Nella maggior parte dei casi la metilazione silenzia la metilazione silenzia l’espressione del genel’espressione del gene. In alcuni casi, però, l’imprinting . In alcuni casi, però, l’imprinting può attivare la funzione di un gene. Nel caso di Igf-2 la può attivare la funzione di un gene. Nel caso di Igf-2 la metilazione di un elemento isolatore sul cromosoma di metilazione di un elemento isolatore sul cromosoma di derivazione paterna ne blocca la funzione e permette ad derivazione paterna ne blocca la funzione e permette ad un enhancer distante di attivare la trascrizione del gene un enhancer distante di attivare la trascrizione del gene Igf-2. Sul cromosoma di derivazione materna l’isolatore Igf-2. Sul cromosoma di derivazione materna l’isolatore non è metilato e il gene Igf-2 non è trascritto.non è metilato e il gene Igf-2 non è trascritto.

L’imprinting agisce a livello trascrizionalelivello trascrizionale: è infatti nota l'esistenza di geni regolatori che controllano quali geni vadano accesi e quali spenti.

Page 12: IMPRINTING  GENOMICO

Sui cromosomi ereditati Sui cromosomi ereditati dalla femmina, la proteina dalla femmina, la proteina CTCF si lega ad un CTCF si lega ad un isolatoreisolatore, bloccando , bloccando l’interazione fra l’enhancer l’interazione fra l’enhancer e l’Igf-2, che non è quindi e l’Igf-2, che non è quindi espresso. A causa espresso. A causa dell’imprinting, l’isolatore dell’imprinting, l’isolatore sul cromosoma ereditato sul cromosoma ereditato dal padre è metilato, ciò lo dal padre è metilato, ciò lo rende inattivo bloccando rende inattivo bloccando l’attacco della proteina l’attacco della proteina CTCF, e permette pertanto CTCF, e permette pertanto all’enhancer di attivare la all’enhancer di attivare la trascrizione del gene Igf-2.trascrizione del gene Igf-2.

Page 13: IMPRINTING  GENOMICO

La mancata efficienza di imprinting nelle cellule La mancata efficienza di imprinting nelle cellule somatiche può portare al somatiche può portare al cancrocancro. . Le cellule cancerose, Le cellule cancerose, in certi casi di tumore maligno (di Wilms) e in molti casi in certi casi di tumore maligno (di Wilms) e in molti casi di cancro al colon, hanno entrambe le copie di Igf-2 di cancro al colon, hanno entrambe le copie di Igf-2 espresse, mentre invece è solo quella del padre che espresse, mentre invece è solo quella del padre che dovrebbe esserlo. dovrebbe esserlo.

Metilazione ridotta Metilazione ridotta (espressione genica aumentata) (espressione genica aumentata)

di di proto-oncogeniproto-oncogeni può portare al può portare al

cancro;cancro;

Metilazione eccessivaMetilazione eccessiva(espressione genica diminuita) di (espressione genica diminuita) di

geni soppressori dei tumori geni soppressori dei tumori può può

portare alla stessa conseguenza;portare alla stessa conseguenza; Cellule renali colpite dal tumore di Wilms

Page 14: IMPRINTING  GENOMICO

Alcuni di questi geni sono coinvolti nella Alcuni di questi geni sono coinvolti nella regolazione della crescita del fetoregolazione della crescita del feto: i geni : i geni

paterni partecipano a rimuovere i nutrienti in modo aggressivo dal corpo della paterni partecipano a rimuovere i nutrienti in modo aggressivo dal corpo della

madre, per cui sono espressi nel trofoblasto e nelle membrane extraembrionarie; i madre, per cui sono espressi nel trofoblasto e nelle membrane extraembrionarie; i

geni materni si oppongono all’effetto dei geni paterni, "proteggono la madre" geni materni si oppongono all’effetto dei geni paterni, "proteggono la madre"

provocando l’accumulo di nutrienti per le cellule discendenti, e sono espressi provocando l’accumulo di nutrienti per le cellule discendenti, e sono espressi

soprattutto nell’embrione. soprattutto nell’embrione.

Nell’uomo la maggioranza dei geni Nell’uomo la maggioranza dei geni

soggetti a imprinting è autosomica. Molti soggetti a imprinting è autosomica. Molti

dei geni umani soggetti a imprinting si dei geni umani soggetti a imprinting si

trovano raggruppati in due localizzazioni trovano raggruppati in due localizzazioni

principali nel genoma: una zona di principali nel genoma: una zona di

circa circa

1 Mbp si trova sul 1 Mbp si trova sul cromosoma 11 cromosoma 11

mentre un secondo raggruppamento, mentre un secondo raggruppamento,

esteso per 2,3 Mbp, si trova sul esteso per 2,3 Mbp, si trova sul

cromosoma 15cromosoma 15..

Attualmente è stato provato che circa 60 geni umani sono soggetti ad Attualmente è stato provato che circa 60 geni umani sono soggetti ad

imprinting.imprinting.

Page 15: IMPRINTING  GENOMICO

La mancanza di un imprinting genetico corretto che La mancanza di un imprinting genetico corretto che coinvolge i geni del cromosoma 15 causacoinvolge i geni del cromosoma 15 causa

Due sindromi complesse che influenzano lo stato Due sindromi complesse che influenzano lo stato ormonale, il metabolismo e la capacità di movimento.ormonale, il metabolismo e la capacità di movimento.

SINDROME DI ANGELMAN

SINDROME DI PRADER-WILLI

Page 16: IMPRINTING  GENOMICO

Le due malattie sono Le due malattie sono di solito causate da di solito causate da una una microdelezionemicrodelezione che colpisce il braccio che colpisce il braccio lungo del cromosoma lungo del cromosoma 15 ma, mentre nella 15 ma, mentre nella PWS il cromosoma PWS il cromosoma colpito è quello di colpito è quello di origine paterna, nella origine paterna, nella AS è quello di origine AS è quello di origine materna. Il fatto che materna. Il fatto che le due malattie siano le due malattie siano clinicamente molto clinicamente molto diverse è imputabile diverse è imputabile al fatto che i geni al fatto che i geni presenti in quella stes-presenti in quella stes-sa regione genomica sa regione genomica

sono espressi diversamente nei cromosomi ereditati dall’uno o dall’altro genitore. sono espressi diversamente nei cromosomi ereditati dall’uno o dall’altro genitore. Mentre la AS è causata dalla mancata espressione del solo Mentre la AS è causata dalla mancata espressione del solo gene UBE3Agene UBE3A, la PWS è , la PWS è causata dalla mancata espressione di più genicausata dalla mancata espressione di più geni..

Page 17: IMPRINTING  GENOMICO

Delezioni di certe regioni cromosomiche causano un Delezioni di certe regioni cromosomiche causano un fenotipo differente se presenti sul cromosoma paterno o fenotipo differente se presenti sul cromosoma paterno o

materno.materno.

Sindrome di Prader-

Willi

Sindrome di

Angelman

Cromosoma Cromosoma maternomaterno

Cromosoma Cromosoma paternopaterno

Page 18: IMPRINTING  GENOMICO

microbrachicefaliamicrobrachicefalialingua protusa lingua protusa

all’esternoall’esternospazio tra i dentispazio tra i denti

ritardo mentale graveritardo mentale graveriso ingiustificatoriso ingiustificato

epilessia epilessia

Aspetti clinici:Aspetti clinici:mani e piedi piccolimani e piedi piccoliipogonadismoipogonadismoobesitàobesitàritardo mentale medioritardo mentale mediofacies caratteristicafacies caratteristicaproblemi problemi comportamentalicomportamentali

PWPWAA

Page 19: IMPRINTING  GENOMICO

La malattia di Prader-Willi è causata La malattia di Prader-Willi è causata

nel 70% dei casi da nel 70% dei casi da delezionedelezione nel 25% nel 25%

da da disomia uniparentaledisomia uniparentale e il restante e il restante

5% da 5% da mutazionimutazioni che modificano il che modificano il

processo di imprinting: queste processo di imprinting: queste

molteplici circostanze portano molteplici circostanze portano

all’assenza del segmento 11-13 del all’assenza del segmento 11-13 del

braccio lungo del cromosoma 15 braccio lungo del cromosoma 15

PATERNOPATERNO.. ipotonia centrale neonatale ed infantile, scarsa capacità suttoria che ipotonia centrale neonatale ed infantile, scarsa capacità suttoria che migliora con l’età;migliora con l’età; carente accrescimento nell’infanzia, problemi relativi alla deglutizione;carente accrescimento nell’infanzia, problemi relativi alla deglutizione; alimentazione forzata;alimentazione forzata; iperfagia che tra i 12 mesi e i 6 anni provoca un aumento di peso e iperfagia che tra i 12 mesi e i 6 anni provoca un aumento di peso e l’obesità;l’obesità; facies tipica: corto diametro bifrontale, lati della bocca rivolti verso il facies tipica: corto diametro bifrontale, lati della bocca rivolti verso il basso, fessure palpebrali a mandorla; basso, fessure palpebrali a mandorla; ipogonadismo, ipoplasie genitali, pubertà incompleta, sterilitàipogonadismo, ipoplasie genitali, pubertà incompleta, sterilità lieve o medio ritardo mentale.lieve o medio ritardo mentale.

Page 20: IMPRINTING  GENOMICO

Anche in questo caso la malattia è provocata dalla Anche in questo caso la malattia è provocata dalla delezionedelezione del segmento del cromosoma 15, ma del segmento del cromosoma 15, ma MATERNOMATERNO..Essa è diagnosticabile tra i 3 e i 7 anni, periodo nel Essa è diagnosticabile tra i 3 e i 7 anni, periodo nel quale le caratteristiche sintomatiche diventano quale le caratteristiche sintomatiche diventano evidenti.evidenti.I soggetti affetti compiono movimenti “a scatto”, I soggetti affetti compiono movimenti “a scatto”, velocemente, e ridono ingiustificatamente.velocemente, e ridono ingiustificatamente. microcefaliamicrocefalia grave ritardo mentalegrave ritardo mentale atassia o anomalia completa nella atassia o anomalia completa nella deambulazionedeambulazione facies caratteristica: ipertrofia di lingua e facies caratteristica: ipertrofia di lingua e mandibola, depressione occipitale, sclere blumandibola, depressione occipitale, sclere blu epilessia e alterazioni motorie.epilessia e alterazioni motorie.

Page 21: IMPRINTING  GENOMICO