Con l'avvento dei risultati del Progetto Genoma Umano ci si era convinti di poter carpire tutti i segreti del genoma semplicemente analizzando le variazioni interindividuali della sequenza nucleotidica. Invece dobbiamo ammettere che è necessario scoprire molto di più su altri aspetti chiave, come ad esempio i fenomeni che regolano i tempi e i livelli dell'espressione genica.
A parte la metilazione del DNA, si è soliti oggi considerare come facenti parte dell'epigenoma fenomeni che tradizionalmente vengono trattati in altri capitoli. Con buona approssimazione si può dire oggi che dell'epigenoma fanno parte:
1) METILAZIONE DEL DNA
La metilazione è un fenomeno molto diffuso nel DNA. Si calcola infatti che ben l'80% di tutte le isole CpG sia metilata. Tradizionalmente si attribuisce alla metilazione la proprietà di silenziare l'espressione. In base a ciò le zone metilate risultano trascrizionalmente inattive mentre le zone non metilate risultano espresse. È stato tuttavia dimostrato che anche alcune zone metilate possono essere trascritte, il che complica notevolmente la comprensione del fenomeno della metilazione nel suo insieme. È stato infatti proposto che il silenziamento della trascrizione indotto dalla metilazione possa essere sito-dipendente (che dipenda cioè dal punto del genoma in cui si ha la metilazione). Esistono vari modi per studiare la metilazione e le sue caratteristiche. Uno dei più usati e il sequenziamento al bisolfito (Bisulfite Sequencing - BS)
2) MODIFICAZIONI CHIMICHE DEGLI ISTONI
La doppia elica del DNA non si trova normalmente sciolta e srotolata nel nucleo. Il DNA infatti è avviluppato attorno a delle proteine (le proteine istoniche). Le proteine istoniche sono degli ottameri formati da quattro subunità: H2A, H2B, H3 e H4. Le proteine istoniche sono soggette a modificazioni chimiche come la metilazione, la fosforilazione e l'ubiquitinazione. Queste modificazioni possono regolare l'accesso dei complessi trascrizionali a specifiche zone del DNA. In altre parole, in modo diverso da un tipo cellulare all'altro, le modificazioni chimiche delle proteine istoniche possono rendere accessibile una determinata sequenza di DNA invece di un'altra. Uno dei metodi più usati per lo studio delle proteine istoniche e delle loro modificazioni chimiche è la Chromatine immunoprecipitation system (ChIP).
3) FORMAZIONE E DISPOSIZIONE DEI NUCLEOSOMI
Il DNA avviluppato attorno alle proteine istoniche si raggruppa ulteriormente a formare i nucleosomi. I raggruppamenti di nucleosomi possono assumere configurazioni diverse, modificando anche in questo caso l'accessibilità di determinate parti della sequenza del DNA, che possono così essere esposte o nascoste all'attività degli enzimi con attività trascrizionale (fattori di trascrizione). Generalmente le regioni del genoma trascrizionalmente attive non risultano impaccate a formare nucleosomi, mentre le regioni inattive tendono a formare i nucleosomi (eterocromatina).
4) ARCHTETTURA 3D DELLA CROMATINA
A un livello ancora più alto rispetto a quello delle proteine istoniche e dei nucleosomi, si parla di struttura 3D della cromatina. Facendo un passo indietro e andando con ordine: la doppia elica del DNA si avviluppa attorno alle proteine istoniche. I complessi così formatisi si aggregano ulteriormente a formare i nucleosomi (le zone dove i nucleosomi tendono a formarsi in modo più denso e compatto sono tendenzialmente inattive dal punto di vista trascrizionale). I nucleosomi tendono poi ad aggregarsi finendo a formare la struttura, microscopicamente visibile, della cromatina. La cromatina, tuttavia, non è semplicemente un aggregato compatto di DNA e proteine. La struttura tridimensionale della cromatina è regolata in modo preciso a formare avviluppamenti, gomiti e angolature che coprono o scoprono sequenze del DNA in modo mirato. Anche la struttura tridimensionale della cromatina, dunque, a seconda del tipo cellulare, è responsabile dell'attivazione o della repressione della trascrizione di un determinato gene.
5) NON-CODING RNA (ncRNA)
Per maggiori dettagli sul pianeta RNA e in particolare sui non-coding RNA (ncRNA) potete anche consultare la pagina PLANET RNA. È ormai noto che gli ncRNA sono dei protoganisti dell'espressione genica. Dai microRNA agli short-interfering RNA (siRNA) fino ai lncRNA, queste molecole hanno un ruolo multiplo e fondamentale nella regolazione della trascrizione. Basti pensare che i lncRNA sembra siano in grado persino di indurre la metilazione di certe regioni del DNA. Fra gli altri fenomeni, gli ncRNA sono in grado di influenzare l'inattivazione del cromosoma X, l'impriting genomico (la metilazione, appunto) e alcuni processi patologici come il cancro.
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