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Una panoramica dell'epigenetica
 
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Una panoramica dell'epigenetica

Overview

Fin dai primi giorni della ricerca genetica, gli scienziati hanno notato alcune differenze fenotipiche ereditarie che non sono dovute a differenze nella sequenza nucleotidica del DNA. Le prove attuali suggeriscono che questi fenomeni "epigenetici" potrebbero essere controllati da una serie di meccanismi, tra cui la modifica delle basi citosina del DNA con gruppi metilici, l'aggiunta di vari gruppi chimici alle proteine istoniche e il reclutamento di fattori proteici in siti specifici del DNA attraverso interazioni con RNA non codificanti proteine.

In questo video, JoVE presenta la storia di importanti scoperte in epigenetica, come l'inattivazione del cromosoma X (XCI), il fenomeno in cui un intero cromosoma X viene silenziato nelle cellule dei mammiferi femminili. Vengono esaminate le domande e i metodi chiave nel campo, comprese le tecniche per identificare le sequenze di DNA associate a diverse modificazioni epigenetiche. Infine, discutiamo di come i ricercatori stiano attualmente utilizzando queste tecniche per comprendere meglio la regolazione epigenetica della funzione genica.

Procedure

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Il campo dell'epigenetica, la cui definizione è molto contestata, si riferisce ampiamente allo studio delle differenze ereditarie nella funzione genica che non possono essere spiegate dai cambiamenti della sequenza del DNA. Il termine "epigenetica" è stato introdotto per la prima volta da Conrad Waddington nel 1950, per spiegare come diversi tipi di cellule nel corpo potrebbero derivare da un insieme di materiale genetico. I ricercatori hanno identificato molti processi che si pensa abbiano una base epigenetica, ma c'è ancora un dibattito significativo su molti principi fondamentali del campo.

In questo video, evidenzieremo importanti scoperte in epigenetica, domande chiave dibattere dagli epigenetisti, strumenti comuni utilizzati per rispondere a queste domande e, infine, alcune ricerche attuali nel campo.

Per prima cosa, esaminiamo diversi momenti chiave nella storia dell'epigenetica.

Nel 1930, Hermann J. Muller osservò un fenomeno noto come variegatura posizione-effetto in Drosophila. Ha trovato mosche mutanti con gli occhi screziati e ha collegato questo fenotipo alla diffusione variabile di "eterocromatina" condensata che ha messo a tacere il gene responsabile del colore degli occhi. Questo sarebbe il primo fenomeno "epigenetico" identificato in cui è stato osservato un cambiamento fenotipico senza un corrispondente cambiamento della sequenza genetica.

Nel 1959, Susumu Ohno osservò nelle cellule epatiche di ratto femmina che uno dei due cromosomi X era condensato. Due anni dopo, Mary Lyon ha ipotizzato che questo cromosoma X condensato sia geneticamente inattivato, che la scelta di quale cromosoma X da inattivare sia casuale e che questa inattivazione sia stabilmente ereditata dalla prole della cellula. Questo processo, ora chiamato inattivazione del cromosoma X o XCI, fa sì che le femmine siano mosaici biologici.

Nel 1964, Alfred Mirsky pubblicò il primo lavoro sul ruolo delle modificazioni istoniche nella regolazione genica. Gli istoni formano il nucleo dei nucleosomi, che sono l'unità ripetitiva di base della cromatina nelle cellule eucariotiche. Mirsky ha studiato come la metilazione e l'acetilazione degli istoni hanno influenzato la sintesi dell'RNA, ed è ora noto che numerose modifiche alterano lo "stato di attività" delle regioni cromosomiche vicine.

Nel 1975, Robin Holliday e il suo studente John Pugh, e indipendentemente Arthur Riggs, proposero che la metilazione dei dinucleotidi CpG nel DNA potesse essere coinvolta in un silenziamento epigenetico stabile, ad esempio durante XCI. Adrian Bird e colleghi hanno dato ulteriore credito a questa idea nel 1985 identificando cluster di siti CpG non metilati in tutto il genoma che sono stati successivamente associati a promotori trascrizionalmente attivi. In seguito avrebbe anche scoperto proteine regolatrici che legano il DNA metilato, reprimendo infine la trascrizione.

Nel 1984, Davor Solter, Azim Surani e altri osservarono che gli embrioni di topo contenenti solo materiale genetico materno o paterno– creato tramite esperimenti di trapianto nucleare – non si sviluppavano normalmente. Ciò ha segnato la scoperta dell'imprinting genomico, o espressione genica specifica del genitore di origine.

I primi geni impressi sono stati scoperti nel 1991, dove viene mai espressa solo la copia ereditata dal padre o dalla madre. Uno di questi geni, H19, risulta essere piuttosto insolito: il suo prodotto finale è un RNA da 2,3 kilobase che non viene tradotto in proteine.

Altri di questi "lunghi RNA non codificanti" o lncRNA sono stati presto scoperti, incluso Xist, che è necessario per spegnere il cromosoma X durante XCI. Le prove attuali suggeriscono che questi RNA possono funzionare come scaffold per reclutare fattori normativi. Oggi, i ricercatori continuano a capire come le interazioni tra lncRNA, metilazione del DNA e modificazioni istoniche regolano i processi epigenetici.

Ora, passiamo ad alcune domande poste dagli epigenetisti.

Al livello più elementare, gli scienziati stanno ancora studiando attivamente i meccanismi con cui i segni epigenetici, come le modifiche istoniche e la metilazione del DNA, vengono creati, rimossi e interpretati. I ricercatori continuano a caratterizzare gli enzimi che svolgono queste funzioni, così come il modo in cui i segni interagiscono con il meccanismo di trascrizione per attivare o reprimere l'espressione genica.

Una domanda più profonda che sorge è se esista un "codice epigenetico", analogo al ben definito "codice genetico", che detta come le informazioni nel DNA vengono tradotte in sequenza proteica. I ricercatori stanno cercando di determinare se la combinazione di segni epigenetici forma un codice predittivo simile che un giorno renderà possibile dedurre il modello di espressione di ogni gene.

Recentemente, gli scienziati si sono interessati ai ruoli biologici degli lncRNA. Mentre un modello prevalente è che gli lncRNA aiutano a reclutare fattori epigenetici in specifiche posizioni genomiche, i loro meccanismi esatti e se tutti gli lncRNA funzionano in modo simile, sono ancora in fase di studio.

Infine, poiché i segni epigenetici sono "componenti aggiuntivi" chimici che non vengono semplicemente replicati insieme al DNA, gli scienziati stanno ancora cercando di imparare come i segni continuano attraverso le generazioni cellulari. Ancora più controversa è la potenziale eredità transgenerazionale di alcuni processi epigenetici. Poiché si osserva che i segni epigenetici vengono drammaticamente cancellati o "riprogrammati" all'inizio dell'embriogenesi, e di nuovo durante la formazione dei gameti, come e se questi fenomeni transgenerazionali si verificano effettivamente rimane oggetto di accesi dibattiti.

Diamo ora un'occhiata ad alcuni strumenti utilizzati nello studio dell'epigenetica.

La metilazione del DNA è più comunemente rilevata dall'analisi del bisolfito, un processo per cambiare i residui di citosina non metilati in uracile, che vengono poi rilevati come timina nelle reazioni di sequenziamento. Il confronto delle sequenze prima e dopo il trattamento con bisolfito consente ai ricercatori di identificare le posizioni del DNA metilato. Un altro metodo per saggiare lo stato di metilazione del DNA è quello di digerire il DNA con enzimi di restrizione sensibili alla metilazione, che possono solo tagliare il DNA non metilato.

L'immunoprecipitazione, o tecniche di pull-down, sono utilizzate per identificare sequenze di DNA o RNA associate a caratteristiche specifiche. L'immunoprecipitazione della cromatina, o ChIP, isola il DNA legato da particolari fattori proteici o modificazioni istoniche, le cui informazioni di sequenza possono quindi essere analizzate mediante PCR o sequenziamento.

D'altra parte, l'immunoprecipitazione del DNA metilato, o MeDIP, viene utilizzata per isolare e arricchire il DNA metilato. L'immunoprecipitazione dell'RNA, o RIP, e l'isolamento della cromatina mediante purificazione dell'RNA, o ChIRP, possono determinare rispettivamente i partner proteici di un RNA non codificante o le sue posizioni di legame genomico.

tecniche basate. In questo esperimento, l'ibridazione fluorescente in situ per l'RNA Xist è stata combinata con l'immunofluorescenza contro modificazioni isoniche note. I segni di lncRNA e istoni potrebbero quindi essere "co-localizzati" per rivelare possibili relazioni funzionali.

Hai appena visto la panoramica di JoVE sull'epigenetica. In questo video, abbiamo esaminato la storia del campo dell'epigenetica, alcune delle domande e degli strumenti di spicco del campo e esempi specifici di ricerca epigenetica. Come sempre, grazie per aver guardato!

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