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Capitolo 3 – L’espressione genica e la sua regolazione
La nutrigenomica vuole studiare l’effetto che i nutrienti hanno sull’espressione dei geni e sulla regolazione dei geni. Lo scopo della nutrigenetica è quello di andare ad integrare a livello molecolare come fanno le diverse molecole (nutrienti o derivati da essi) ad interagire con il genoma, andando a cambiarne l’espressione. Questo ha delle conseguenze molto importanti. La nutrigenomica va ad indagare quali sono i meccanismi alla base di queste modificazioni. Tutto ciò, integrato con quello che è la nutrigenetica, cioè come l’assetto genetico di un certo individuo/popolazione può modificare la risposta ai nutrienti, contribuisce all’insorgenza di particolari malattie. Inoltre, le conoscenze che derivano dalla nutrigenomica possono essere utilizzate per andare a mitigare gli effetti di particolari malattie. Negli ultimi anni le tecnologie per l’analisi delle molecole biologiche si sono evolute tantissimo, e possono essere applicate all’azione dei nutrienti su particolari cellule!! È possibile conoscere le variazioni di tutti i trascritti (es. dove va ad agire la vitamina D, o i micronutrienti presenti nella dieta,…). Ciò che questa analisi così complessa ci impedisce di vedere, è quali siano gli effetti diretti rispetto agli effetti indiretti.
Che vuol dire?
Per effetto diretto intendiamo, ad esempio, quando la vitamina D fa aumentare l’espressione dei geni A, B. però non posso essere sicura che si tratti proprio di un effetto diretto. Allora come potrebbe essere un effetto indiretto? Questa situazione si potrebbe avere per via di una cascata: la vitamina D attiva determinati geni, i quali a loro volta ne attivano altri ancora. Per capire come funziona a livello molecolare un determinato patway bisogna andarlo a studiare specificamente. È il contributo di tutte queste risposte alla nutrizione che poi va ad influenzare lo stato di salute nei confronti della malattia. Le variazioni nell’espressione genica, che avvengono in risposta a processi metabolici, possono influenzare la salute di un individuo? Queste variazioni rappresentano il risultato dell’interazione tra genotipo e ambiente. L’idea è di comprendere bene questi meccanismi per poter arrivare a stilare delle diete specifiche per ogni individuo (e quindi per ogni genotipo). La cosa sembra semplice: si individuano alcuni genotipi che sono collegati a particolari risposte ai nutrienti e si è in grado di arrivare a diete specifiche. Quando si parla di malattie i cui effetti possono essere migliorati da una dieta che tenga conto dell’espressione genica, ci si riferisce a delle malattie che non sono trasmissibili, ma che hanno un’azione diretta con l’assunzione dei vari nutrienti. Tra queste malattie c’è il cancro (ci sono determinati nutrienti, la cui interazione con l’organismo può portare all’insorgenza di questa malattia). Dall’altra parte la nutrigenomica viene utilizzata anche per coadiuvare le terapie contro il cancro. Ci sono alcuni fattori che introdotti con la dieta provocano effetti anti-cancro.
La regolazione dell’espressione genica può avvenire a tutti i livelli. Si tratta semplicemente di andare a vedere come agiscono le molecole dei nutrienti, anche a livello biochimico.
Regolazione dell’espressione genica
Prima ancora di andare a modificare l’espressione genica le molecole dei nutrienti sono in grado di interagire con dei “sensori” genici. Sono stati descritti i meccanismi di variazione dell’espressione genica di diversi tipi. Per esempio:
- Possono avere un effetto diretto sull’espressione genica andandosi a legare con dei fattori di trascrizione (la vitamina D è un ligando diretto!!), oppure dopo essere entrati all’interno delle cellule possono essere metabolizzati e uno dei prodotti del metabolismo può fungere un ligando di un fattore di trascrizione;
- Possono interagire con dei recettori che si trovano sulla membrana e quindi innescare una cascata del segnale di trasduzione del segnale, che poi ha come ultimo obiettivo l’induzione del fattore di trascrizione;
- Lo stesso del punto precedente può avvenire con cascate di segnali di trasduzione, che invece hanno come bersaglio finale la traduzione e non la trascrizione (sono stati decritti dei casi: irulens feratrolo (?), che è una molecola presente nel vino rosso e la genisteina presente nella soia → vanno direttamente ad influenzare il patway di segnalazione che ha come bersaglio il fattore chiamato (?). Ricordiamo che il gene umano che codifica per la metallo-tioneina , la quale risponde per esempio a particolari metalli quando sono presenti all’interno della cellula, ha un promotore particolarmente ricco di elementi di risposta: gli elementi di risposta sono quelle sequenze che si trovano all’interno del promotore e che vengono riconosciute da specifici fattori di trascrizione.
questo caso, viene reclutato un complesso co-attivatore che contiene un enzima che va ad acetilare gli istoni. Attraverso l’acetilazione degli istoni si ha l’attivazione trascrizionale dei geni. Quindi, i diversi ormoni steroidei hanno ciascuno un diverso recettore, e recettori diversi sono espressi in cellule diverse. Abbiamo visto molto sommariamente che la vitamina D è una delle tante molecole che agiscono in questo modo: essa si lega ad un suo recettore e va ad attivare i geni bersaglio, secondo il meccanismo Chip-Seq. La vitamina D va a reclutare dei complessi che contengono degli enzimi che vanno a modificare la cromatina.
Perché è particolarmente importante l’ epigenetica parlando di nutrigenomica?
L’epigenetica non è altro che quell’insieme di modificazioni che avvengono a livello del genoma, che non riguardano la sequenza del genoma stesso: sono modificazioni dovute all’aggiunta di gruppi chimici specifici.
Si parla di epigenetica quando si parla di modificazioni degli istoni come meccanismo per l’attivazione/repressione delle trascrizione, e poi ancora come modificazione del DNA (ricordiamo che tra le basi azotate la citosina è la base che può subire delle modificazioni diventando 5-metil-citosina) che riguardano l’aggiunta/rimozione di gruppi chimici (metili, acetili, gruppi fosforici,..). Questi cambiamenti sono importanti non solo perché variano l’espressione dei geni, ma anche perché, a differenza dei polimorfismi genetici, quindi di variazioni della sequenza che sono permanenti, le modificazioni epigenetiche sono reversibili, possono modificarsi nei diversi organi, nei diversi tessuti e nei diversi tipi cellulari; possono anche essere trasmesse alle generazioni successive. Il motivo per cui hanno questa particolare importanza quando si parla di nutrizione, uno dei gruppi che viene generalmente rimosso o aggiunto per andare a modificare DNA o proteine, deriva direttamente dai nutrienti: è il folato. Esso agisce come donatore di gruppi metili (partecipa sia alla metilazione del DNA, sia alla sintesi dei nucleotidi): gli enzimi che modificano il DNA o gli istoni, lo possono fare in relazione alla quantità di folato presente all’interno delle cellule. Ricordiamo che gli istoni contenuti all’interno dell’ottamero possono essere modificati chimicamente, soprattutto a livello delle code N-terminali che sporgono all’esterno del nucleosoma. Le code N-terminali sono particolarmente ricche di aminoacidi basici (es. lisina e arginina), le cui cariche positive contribuiscono a formare una cromatina più compatta (le code sono il bersaglio delle modificazioni). La modificazione chimica va ad alterare la quantità di carica positiva che c’è in quel tratto di interazione e quindi possono rendere il DNA più o meno accessibile. L’istone acetilasi è l’enzima più frequente nei casi in cui si ha una stimolazione della trascrizione, proprio perché l’acetilazione ha l’effetto di rendere più aperto il DNA. L’istone acetilasi può andarsi a legare al DNA da solo, oppure può essere reclutato dagli attivatori. Una volta avvenuta l’acetilazione su un tratto di DNA, il DNA è meno compatto e i fattori di inizio della trascrizione possono così andarsi a legare. Ci sono poi anche delle modificazioni con dei gruppi più “ingombranti”, come l’ADP-ribosio, l’ubiquitina, ecc.
Gli enzimi responsabili della metilazione del DNA e delle citosine sono le DNA-metil-transferasi (DNMT) il cui gruppo metilico viene donato dal folato. La metilazione avviene in corrispondenza di particolari sequenze, ma solamente quando ci sono le coppie CG (si chiamano isole CpG ) e molto spesso queste isole non sono distribuite uniformemente, ma sono localizzate nei promotori dei geni. Quando la citosina viene metilata (diventano 5-metilcitosina) diventa un sito preferenziale di mutazione: si parla di hot spot , perché una delle reazioni che può avvenire spontaneamente nella cellula a carico del DNA è la reazione di deaminazione delle basi. La citosina che viene deaminata dà origine all’ uracile , il quale viene rimosso dall’apparato di riparazione del DNA poiché riconosciuto come base estranea nel DNA, ma la 5-metilcitosina che viene deaminata dà origine alla timina (che a questo punto non è una base estranea) e dà origine a una mutazione. Quello che vediamo nell’immagine sottostante è un fattore di allungamento della traduszione (è un gene housekeeping, il quale è espresso sempre). Si è osservato che il suo promotore contiene delle isole CpG ipometilate, perché sono legate più frequentemente da fattori della trascrizione. Quindi su queste zone non può avvenire la metilazione, perché l’accesso alla proteine è bloccato da fattori di trascrizione. La correlazione diretta della metilazione di un gene con la sua espressione può essere osservata facendo degli esperimenti in cui le cellule in coltura vengono fatte crescere in presenza di un analogo della citosina (che però non può essere metilato, perché ha un azoto al posto del carbonio: 5-azocitosina) il quale si va a legare al posto delle citosine nel DNA. Se si analizza l’espressione dei geni in un caso e nell’altro, si vede che in presenza della 5-azocitosina, si ha l’espressione trascrizionale di molti geni, che prima in presenza della 5-metilcitosina erano repressi. → Se un promotore di un gene ha delle isole CpG che sono metilate, il suo livello di espressione viene mantenuto basso. Questo può avvenire direttamente, perché ci sono proteine che legano il DNA metilato ( metil-CpG-binding-protein ) e quindi bloccano l’accesso all’apparato di trascrizione (bloccano l’accesso agli attivatori trascrizionali, che non si possono andare a legare se i nucleotidi sono metilati). → La metilazione che a sua volta può dipendere dalla nutrizione è un meccanismo che porta geneticamente a repressione trascrizionali.
Quindi, la metilazione del DNA e la metilazione della cromatina (meccanismi alla base della regolazione genetica) prevedono che ci sia la trasmissione dei caratteri fenotipici, i quali possono variare, ma la cui variazione non dipende dalla variazione della sequenza di DNA. Ciò che può essere trasmesso alle cellule figlie è la possibilità che un gene sia attivato o represso. Altro meccanismo di regolazione dell’espressione genica che ritroveremo anche più avanti sono i micro RNA ( miRNA ) e i siRNA. Agiscono attraverso 3 modalità d’azione sulla repressione dell’espressione genica:
- Si forma il complesso RISC ( RNA Induced Silencing Complex ) , in seguito al quale si ha il meccanismo di inibizione. Lo ritroviamo a livello citoplasmatico e porta o alla degradazione dell’mRNA o al blocco della traduzione.
- Sempre maggiore importanza sta assumendo il livello di regolazione della trascrizione da parte dei miRNA. Alcuni dei miRNA all’interno del complesso RISC (formato dalla proteina argonauta) entra nel nucleo e i miRNA vanno ad appaiarsi con RNA nascenti, andando a bloccare l’espressione di quello stesso RNA, quindi favorendo o sfavorendo il rimodellamento della cromatina, l’azione degli istoni, ecc. Prenderemo in esame a tal proposito un interessante articolo in cui si dice che i miRNA che sono stati identificati, presenti nel cibo (cavoli), hanno la capacità di andare a regolare l’espressione delle cellule umane: c’è direttamente un trasferimento dei miRNA all’interno delle cellule, che fa variare l’espressione genica. I miRNA sono coinvolti in molte patologie, soprattutto per il loro effetto tumorale (una loro deregolazione può causare effetti patologici).
I nutrienti contengono dei composti detti bioattivi , perché hanno un effetto sul metabolismo. Gli effetti di ciascun nutriente possono essere relativamente piccoli. Quando parliamo di nutrigenetica, carboidrati, lipidi e proteine funzionano come molecole-segnale. Il segnale viene poi trasmesso ai fattori di trascrizione e va a poi a cambiare l’espressione genica. Possono essere identificati andando a studiare gli effetti di ciascuna molecola su ciò che andrà a influenzare.
I recettori sono degli elementi fondamentali, perché devono sentire i cambiamenti di regolazione dei nutrienti nell’ambiente. L’affinità del recettore deve essere tale da sentire anche piccole variazioni della quantità del nutriente. In generale si tratta quasi sempre di interazioni caratterizzate da un’affinità bassa. In ogni caso deve essere un’affinità che permetta di sentire queste fluttuazione. L’attività di sensing deve permettere il rilascio di ormoni. Durante la storia evolutiva gli individui hanno attraversato periodi di scarsità di nutrienti: si sono così evoluti sistemi di sensing particolarmente efficienti. Questi meccanismi possono essere diretti (nella maggior parte dei casi il sensore è una proteina, in grado di legare direttamente il nutriente di cui si sta parlando), oppure può essere indiretta (il nutriente viene trasformato e quindi i suoi prodotti sono quelli che avranno un’azione diretta). Il sensore (proteine) devo avere un’affinità per queste molecole che sia dell’ordine delle fluttuazioni delle concentrazioni fisiologiche di questo particolare nutriente. Quindi l’affinità deve essere tale da permettere di sentire anche piccole variazioni della quantità di questo nutriente. In generale si tratta quasi sempre di interazioni caratterizzate da un’affinità che non è elevatissima, anzi. In ogni caso deve essere un’affinità che permetta di sentire queste fluttuazioni. Poi il sistema di sensing può innescare il rilascio di ormoni.
Meccanismo di sensing del glucosio
Una proteina presente all’interno della membrana risente del quantitativo di glucosio presente, lo può importare e lo può esportare. Questa proteina ha una certa affinità, che gli permette di agire come trasportatore. Quando la concentrazione del glucosio è elevata la sua affinità è alta, altrimenti se c’è poco glucosio ne lega poco.
