6 epigenetica

7/26/2019 6 epigenetica

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Bentivegna-Epigenetica 1

IL NOSTRO FENOTIPO (QUELLO CHESIAMO FISICAMENTE NELLENOSTRE CAPACITA, FUNZIONI ECOMPORTAMENTO) ANCHE SEDERIVA PRINCIPALMENTE DALNOSTRO PROGRAMMAGENETICO DETERMINATO ANCHEDALLEPIGENETICA.

LEPIGENETICA LO STUDIO DEIFATTORI CHE DETERMINANO

CAMBIAMENTI STABILI EDEREDITABILI, MA REVERSIBILI,NELLESPRESSIONE DEI GENI SENZACAMBIAMENTI NELLA SEQUENZAORIGINALE DEL DNA

EPIGENETICA


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EPIGENETICA

Ela scienza che studia variazioni ereditabilidella cromatina che regolano lespressionegenica.

Le modificazioni epigenetiche non cambiano lasequenza del DNA.

Il genoma contiene 2 tipi di informazione:



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Informazione genetica

Istruzioni per la sintesi di

proteine e RNA.E stabile

Informazione epigeneticaIstruzioni su come, quando e

dove deve essere usatalinformazione genetica.E dinamica

http://europa.eu.int/comm/research/index_en.cfm


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DNA is wrapped around a core of proteins called histones that actas spools around which DNA winds.


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CONTROLLO EPIGENETICODELLA TRASCRIZIONE

DNA methylationHistones deacetylationH3 K9 and K27 methylation

DNA demethylationHistones acetylationH3 K4 methylation



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Epigenetic Modifications

DNA Methylation

Histone Modification (e.g. Acetylation, methylation)

Non-coding RNAs (e.g. microRNA)

All Regulate Gene Expression


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Epigenetic Modification: Non-coding RNAs

RNA which is not used for making

proteins (non-coding RNA) can be

cleaved andused to inhibit protein-codingRNAs

siRNAs, microRNAs (~22Nucleotides; fine tune geneExpression)


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Epigenetic-Regulated Phenomena

Cellular DifferentiationTotipotent cells become pluripotent cells of the embyro which

differentiate into specific lineages

X-chromosome Inactivation

Gene expression on one of the female X-chromosomes isdownregulated

DNA methylation and histone modifications

ImprintingEpigenetic marking of a locus on the basis of parental origin

Results in monoallelic gene expression


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non segue lereditarieta mendeliana.

espressione monoallelica: due alleli identici per sequenzanucleotidica, ma di diversa origine parentale, sono regolati edespressi in modo differente nello stesso nucleo.

-puo essere tessuto-specifico: WT1 BIALLELICO NEL RENE; INPLACENTA E CERVELLO VIENE ESPRESSO L'ALLELE MATERNO--KCNQ1 ESPRESSIONE MATERNA, ESPRESSIONE BIALLELICA SOLONEL CUORE; UBE3A espressione materna in SNC, biallelica in SP

puo variare con lo sviluppo (es. H19)

si stima che il numero dei geni soggetti ad imprinting sia di 0.1-1% sul numero totale

meccanismo epigenetico reversibile: nel corso dellagametogenesi si ha lo switch o conversione.

IMPRINTING GENOMICO

G i i t d i bi ll li


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Gene non imprinted: espressione biallelica

Gene imprinted: espressione monoallelica

Locus A (H19)

in 11p15:espressioneallele materno

Locus B (IGF2)

in 11p15:espressioneallele paterno

AA

B B

Espressione differenziata degli alleli in

base alla loro origine parentaleEspressione monoallelica (emizigosi).

Lallele imprinted quello silenziato

La modulazione dellespressione epigenetica


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2) Establishment: de novo methylation (DNMT3a o

b)in mature germ cellThen, all chromosomes are re-imprintedaccording to the sex of the individual in whichthey reside.

In ovociti: metilazione di alleli che devono essereespressi dal cr. Paterno

in spermatozoi: metilazione di alleli che devonoessere espressi dal cr. maternoCopyright 2002 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings

Fig. 15.15

limprintinggenomico cambia in modocaratteristico duranteil ciclo della vita di un organismo

1) Erasure: genome-wide demethylation in

primordial germ cell. In the newgeneration, both maternal and paternalimprints are apparently erased ingamete-producing cells.



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Erasure, establishment and maintenance of methylation imprints at imprinting centres during germ cell and embryonicdevelopment. Imprinting control elements 1 (IC1) and IC2 are shown as examples. Grey indicates modification and whiteindicates no modification at the corresponding alleles. Parental chromosomes are marked according to their sex in blue(male) or red (female). The reading (transcriptional interpretation of the primary imprints) in the developing embryo isindicated by arrows.

ERASURE: Demetilazione di tutto ilgenoma delle cellule germinali

primordiali di entrambi i sessi durantela prima fase embrionale.

ESTABLISHMENT(DNMT3a o b):Ricomincia una metilazione de novo

MAINTENANCE(DNMT1): Dopo lafertilizzazione la metilazione impostanella linea germinale deve esseremantenuta: il problema che dopo lafertilizzazione c una nuova onda di

demetilazione e una di metilazione de

novo dopo limpianto.



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1) TRAPIANTO PRONUCLEARE NEL TOPO

Barton S, Surani M, Norris M (1984).Nature, 311: 374-376

Produzione in vitro di zigoti ginogenetici (2 pronuclei femminili) o

androgenetici (2 pronuclei maschili) e successivo trapianto in topi

pseudogravidi

CONCEP MENT UN P RENT L NDOTT


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AndrogenoteGinogenote

CONCEPIMENTI UNIPARENTALI INDOTTI

NEL TOPO

(Ectoderma, endoderma e mesoderma)


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alcuni geni a espressione paterna:sviluppo di annessi embrionali

Alcuni geni a espressione materna:sviluppo di embrione


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In entrambi i casi la gravidanza non pu procedere!

PRIMA PROVA DELLESISTENZA DELLIMPRINTING

GENOMICO

Questi esperimenti hanno dimostrato la indispensabilit di

entrambi i contributi genomici parentali per un corretto

sviluppo dellembrione: alcuni geni a espressione paterna

sono coinvolti nello sviluppo dei tessuti di sostegno

dellembrione, mentre alcuni geni a espressione maternasono deputati allo sviluppo dellembrione.

Teoria del gene egoista: conflitto di interessi tra i

genitori.


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Degenerazione proliferativa del

trofoblasto in assenza di svil di

tess embrionali. Corrispettivo h

dellembrione androgen


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b. diploidia uniparentale gino- o parteno-genetico

(M/M): Teratoma ovaricoE un tumore disembriogenetico che colpisce lovaio: 3 foglietti

embrion degenerati e parzialm differenz.Tessuti differenziati disorganizzati, strutture extraembrionaliassenti. Corrispettivo h dellembrione ginogenetico

oocitaattivato

Attivazione spontanea di unovocita

Duplicazione genoma

femminile


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c. fenotipi nelle triploidie

Triploidia: 3 set genomici aploidi (69cromosomi)

23M + 23P + 23P (set in pi paterno)placenta macrocistica e ipertrofica (molaparziale); feto notevolmente iposviluppato

(Feto microcefalico); aborto precoce

23M + 23M + 23P (set in pi materno)Differenziazione discreta dei tessuti fetalitessuti annessiali carenti; placenta

iposviluppata; evoluz fino a secondo trim


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d. fenotipi nelle disomie uniparentali

La disomia uniparentale (UPD) consiste nellorigine uniparentale di

entrambi i cromosomi di una determinata coppia di omologhi

Disomia uniparentale (UPD)


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Non disgiunzione in I div meiotica Non disgiunzione in II div meiotica

ETERO ISO


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Engel nel 1980suggeriva che una

quota di genomi apparentementenormali (2n=46) fosse di fattodovuta ad un processo chiamatocomplementazione gametica

Meccanismi diversi creano UPD.Paradossalmente il megliodocumentato nasce dalla perditadi un cromosoma in un

concepimento trisomicoe quindiper successione di 2 errori.


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ETERO ISO


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RESCUE (salvataggio) DELLA TRISOMIA:


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gamete paterno

gamete materno

zigotetrisomico

perditacromosomica

rescuedi

trisomia

UPD(etero)

RESCUE ( salvataggio ) DELLA TRISOMIA:


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15

15

(0)

15

15

15

15

Tetrasomiamorte cellulare

46Cromosomi(normale)

15,15,15

ND

zigotetrisomico

2 volte su 3

i


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46 cromosomi con UPD

15

15

(0)

15

15

15

15

15,15,15

ND

zigotetrisomico

Tetrasomiamorte cellulare

1 volta su 3


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UPDcelluletrisomiche

15

15

15

15

15

Perdita anafasica

15,15,15zigote

trisomico

embrione a mosaico


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La complementazione gametica pensata da Engel implicaancora 2 errori, ma in questo caso sono entrambi meiotici:

gamete nullisomico+

gamete disomico

zigote 2n

RESCUE (salvataggio) DELLA MONOSOMIA:

COMPLEMENTAZIONE GAMETICA


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COMPLEMENTAZIONE GAMETICA

gamete paterno

gamete materno

zigote con

UPD

UPD(etero)

mitosi

ETERODISOMIA

RE E D N


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RESCUE DI MONOSOMIA

zigotemonosomico

gamete paterno

gamete materno

UPD(iso)

ISODISOMIA

duplicazionecromosomica

rescuedi

monosomia

normaleUPD segmentale


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zigote

normale

Ricombinazione

mitotica

segregazione

mitotica

UPDpatparziale

UPDmat

parziale

UPD segmentale


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CONSEGUENZE DELLA DISOMIA

UNIPARENTALE

Nessuna conseguenza fenotipica

Malattia recessiva: smascheramento di alleli

recessivi (iso=omo). Es: CF, emofilia e talassemie...

Patologie da geni imprinted. Es: PW-AS

CARATTERISTICHE DEI


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CARATTERISTICHE DEI

GENI IMPRINTED

Contengono CpG island soggette a metilazione (DMRs)

La cromatina che li contiene presenta specifiche

modificazioni istoniche

Sono organizzati in cluster

Sono regolati in cis da Imprinting Center


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la metilazione del DNA il meccanismo molecolare chiave

dellimprintingLa metilazione marca i geni che devono essere imprinted inmodo differenziale nella cellula uovo e nello spermatozoo eleredit di questa marcatura porta allespressione genica

differenzialeDMRs (differential methylated regions): sono marcatenelle cellule germinali e vengono mantenute in tutte le fasidello sviluppo; alcune DMRs mostrano cambiamenti durante

lo sviluppo e acquisiscono metilazioni tessuto-specificheassociabili allespressione tessuto-specifica


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GENI IMPRINTED: FUNZIONI

Coinvolti in molti aspetti dello sviluppo: Crescita feto-placentare

Proliferazione cellulare

Sviluppo neurale

Alterazioni del normale pattern dellimprinting:

IUGR

PNGR

morte embrionale

anomalie neonatali

cancro

disordini neuro-comportamentali

MECCANISMI DI CONTROLLO DELLIMPRINTING


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MECCANISMI DI CONTROLLO DELL IMPRINTING

Vari elementi interagiscono per regolare lespressionedei cluster dei

geni imprinted

PROMOTER METHYLATION

Meccanismo pi frequente: Metilazione del promotore ricco in

CpG (DMRs)

MetilCpG Binding Protein (MBP) + Dnmt1 formano complessi con

Istone Deacetilasi: chiusura della cromatina


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BOUNDARIES (o insulator): sequenze di DNA localizzate

tra due elementi di controllo (es:promotore ed enhancer) chenon permettono la loro interazione. Sito di legame di fattori di

controllo (CTCF)


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La mancanza di un imprinting genetico corretto checoinvolge i geni del cromosoma 15 causa

Due sindromi complesse che influenzano lo stato ormonale, ilmetabolismo e la capacit di movimento.

SINDROME DI

ANGELMAN

SINDROME DI

PRADER-WILLI

LA GENETICA DELLE MALATTIE DI


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LA GENETICA DELLE MALATTIE DIE DI

Le due malattie sono disolito causate da unamicrodelezione checolpisce il bracciolungo del cromosoma15 ma, mentre nellaPWS il cromosomacolpito quello diorigine paterna, nellaAS quello di originematerna. Il fatto che ledue malattie sianoclinicamente molto

diverse imputabile alfatto che i genipresenti in quella stes-sa regione genomica

sono espressi diversamente nei cromosomi ereditati dalluno o dallaltro genitore.Mentre la AS causata dalla mancata espressione del solo gene UBE3A, la PWS

causata dalla mancata espressione di pi geni.

PWA


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microbrachicefalialingua protusa allesterno

spazio tra i dentiritardo mentale grave

riso ingiustificato

epilessia

Aspetti clinici:mani e piedi piccoliipogonadismoobesitritardo mentale mediofacies caratteristicaproblemi comportamentali

PWA


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Figura 14.2 Rappresentazione dei geni imprinted della regione critica 15q11-q13. Il centro dellimprinting ha una

struttura bipartita (si veda la Figura 5.6) e regola lespressione di molti geni (per esempio SNRPN, MAGEL2,

NDN), espressi sul cromosoma paterno e identificati con i quadratini colorati in blu, e due geni (UBE3A e ATP10A)

espressi sul cromosoma materno e rappresentati con ovali di colore rosa. (Modificata da: Maher ER., Hum MolGenet 2005, 14: 133-138.).

Genetica Umana Medica 2010 - Copyright Elsevier srl - Tutti i diritti riservati


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Figura 6.5 Struttura del centro dellimprinting della regione 15q11-q13. Si tratta di una struttura bipartita costituitada PWS-SRO (regione Prader-Willi; 4,3 kb, include il promotore e il primo esone di SNRPN) e AS-SRO (regione

Angelman; 0,88 kb, localizzato a 35 kb a monte di SNRPN), dove SRO sta per Shortest Region of deletion

Overlap e indica il centro dellimprinting.Sullallele materno (Mat) lunit regolatrice AS-SRO inattiva PWS-SRO,

insieme allespressione di tutti i geni da esso dipendenti; sullallele paterno (Pat) lunit regolatrice PWS-SRO

silenzia AS-SRO permettendo lespressione di tutti i geni, escluso UBE3A che espresso solo dallallele materno

(i geni sono rappresentati dalle palline nere; le frecce indicano che il gene espresso, il lucchetto indica la

metilazione e quindi linattivazione). (Modificata da Shemer R, Hershko AY, Perk J. The imprinting box of the

Prader-Willi/Angelman syndrome domain. Nat Genet 2000, 26: 440-443.).


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Sindrome di PW Sindrome AS


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Diagnosi/testing


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g / g

1) Test FISH per le delezioni

2) Test PCR per la presenza di imprinting materno

e paterno3) Polimorfismi del DNA per controllare UPD

Il sodio bisolfito converte le

citosine non metilate in uracile. Lecitosine metilate sono protette da

questa modificaz da parte del

sodio bisolfitoPCR con primer

specifici per la forma metilata e

non-metilata.


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