Alterazioni epigenetiche

ALTERAZIONI EPIGENETICHE

E' stato osservato che nel tempo e con l'età si può avere anche una variazione dell'espressione e quindi dell'attività di alcuni geni. Si parla in questo caso di alterazioni a livello epigenetico , le quali si ritiene che siano coinvolte nel processo di invecchiamento e che siano tra gli aspetti caratteristici dello stesso . Queste variazioni possono manifestarsi principalmente a livello della gamma di modificazioni enzimatiche caratteristiche delle proteine istoniche (Fig.5) e a livello del processo di rimodellamento della cromatina (Lòpez-Otin et al., 20 3). In realtà le proteine istoniche sono esse stesse tra gli elementi responsabili della compattazione del DNA in cromatina, per cui i due processi suddetti sono evidentemente connessi.

1.Modificazioni a livello istonico

Fisiologicamente gli istoni , attorno cui si avvolge il DNA, sono sottoposti all'azione

di enzimi specifici quali acetilasi, deacetilasi, metilasi e demetilasi, che modificandoli

determinano un cambiamento nella struttura della cromatina e quindi una diversa accessibilità da parte di altri fattori alla sequenza nucleotidica. Ciò dà come risultato una determinata espressione genica (Fig. 5).

Fig. 5: L'aggiunta un gruppo metile CH3) al DNA, generalmente rende il gene adiacente meno accessibile e quindi meno attivo A , mentre l attacco di un gruppo acetile COCH3) agli istoni solitamente rilassa quella parte del filamento di DNA, rendendolo più accessibile alla trascrizione B)

Questo insieme di modificazioni fisiologiche ben precise variano durante

l'invecchiamento. Sono stati difatti osservati un caratteristico aumento nell'attività

acetilasica sull'istone H4K16, dell'attività trimetilasica su H4K20 e H3K4, ma anche una riduzione di questa stessa attività su H K27 e dell'attività metilasica su H3K9 (Fraga e Esteller, 2 07; Han e Brunet, 0 2).

Negli invertebrati è stato visto che l'attività metilasica è un segno caratteristico dell'invecchiamento e infatti la delezione di componenti dei complessi di metilazione per l'istone H3K4 in nematodi e per H K27 in mosche ne ha aumentato la longevità (Greer et al., 2 10; Siebold et al., 20 0). In realtà è stato anche visto che in vermi pure l'inibizione dell'attività di demetilazione dell'istone H K27 potrebbe dare allungamento della vita intervenendo su componenti chiave per la longevità quali, ad

esempio, la via insulina/IGF1 (Jin et al., 201 ). Rimane perciò da capire con maggiore chiarezza se i meccanismi che coinvolgono gli enzimi agenti sugli istoni nel processo di invecchiamento siano unicamente epigenetici, influenzanti la riparazione del DNA e la stabilità del genoma, o interessino anche modificazioni trascrizionali riguardanti il metabolismo o vie di segnalazione fuori dal nucleo. E' stato evidenziato il fatto che questi cambiamenti epigenetici si prestano, almeno teoricamente, a poter essere invertiti (Freije e Lòpez-Otin, 201 ; Rando e Chang, 2012). In topi in cui è stata effettuata la somministrazione di inibitori dell' istone deacetilasi per ripristinare la acetilazione fisiologica dell'istone H4 si è osservato l'assenza di disturbi della memoria associati all'invecchiamento (Peleg et al., 20 0). Inibitori invece dell'acetiltransferasi sono stati in grado di migliorare vari aspetti di invecchiamento precoce in topi progeroidi e di allungarne la vita, così come attivatori degli enzimi deacetilanti gli istoni hanno mostrato la capacità di promuovere la longevità (Krishnan et al., 2011 .

Molto studiata e considerata coinvolta nel processo di invecchiamento è una particolare famiglia di enzimi ad attività protein-deacetilasica NAD dipendente e ADP ribosiltransferasica, le proteine sirtuine. Esse sono da tempo ritenute potenziali fattori antiinvecchiamento. I primi studi in questo senso hanno riguardato lieviti della specie Saccharomyces cerevisiae, mosche e vermi. In primo luogo è stato visto che promuovendo l'espressione dei loro rispettivi Sir2, unico gene della famiglia sirtuin presente in questi organismi, si ha un incremento della durata della vita (Guarente et al., 2011; Kaeberlein et al., 1999; Rogina e Helfand, 2004; Tissenbaum e Guarente,

2001). In realtà recentemente è sorto qualche dubbio circa il ruolo e la rilevanza effettiva dei geni sir 2 1 e dSir2, i geni sir2 rispettivamente di vermi e mosche, poiché una più attenta osservazione ha dimostrato che l'iperespressione del primo in Caenorhabditis Elegans dà un incremento della durata della vita piuttosto modesto (Burnett et al , 201 ; Viswanathan e Guarente, 2011). Per quanto riguarda i mammiferi, invece, ci sono molte prove che le proteine sirtuine giochino un ruolo importante nel processo di invecchiamento e in particolare che siano tra gli elementi responsabili del mantenimento di un buono stato di salute in età avanzata (Houtkooper

et al., 2012; Sebasti n et al., 2012). Le proteine SIRT , SIRT3 e SIRT6 sono state oggetto di molti esperimenti e hanno mostrato la capacità di migliorare molti aspetti dell'invecchiamento nei mammiferi (Lòpez Otin et al., 2 13). La proteina SIRT1 è quella che ha un maggiore grado di somiglianza con Sir2 degli invertebrati ed è stato visto che una sua promossa espressione migliora alcuni aspetti a livello di salute ma non influisce sulla longevità (Herranz et al., 2010). I benefici apportati da questa proteina sono molti, tra cui una maggiore stabilità genomica e una migliorata efficienza metabolica ( Noguieras et al., 201 ; Oberdoeffer et al., 008; Wang et al.,

Peraltro è stato visto che il resveratrolo, sostanza fenolica non flavonoide

rinvenuta in primis nella buccia d'uva e sotto attento studio come fattore antinvecchiamento Wikipedia, 013), agisce attraverso vari meccanismi favorendo l'attività di SIRT1 (L pez-Otin., 20 3). Per quanto riguarda invece SIRT6, essa ha un maggiore effetto positivo sulla promozione della durata della vita. Infatti topi mutanti caratterizzati da carenza di SIRT6 mostrano un invecchiamento accelerato (Mostoslavsky et al., 2006). Topi di sesso maschile con promossa espressione di SIRT6 mostrano una maggiore durata della vita rispetto agli animali presi come riferimento e un'associata riduzione dei livelli sierici di IGF-1 e altri indicatori della stessa via di segnalazione (Kanfi et al., 2012 .Infine SIRT3, proteina situata a livello dei mitocondri, ha mostrato un ruolo positivo nella promozione della longevità mediando alcuni effetti benefici che scaturiscono dalla limitazione dell'introduzione di calorie. In particolare è stato osservato che SIRT3 agisce principalmente deacetilando alcune proteine mitocondriali in risposta a condizioni di stress come quella che si verifica proprio durante le restrizioni dietetiche suddette Someya et al., 20 0). Di recente è stato visto che SIRT3 è anche in grado di migliorare la capacità rigenerative delle cellule staminali emopoietiche (Brown et al., 2013).

2. Metilazione del DNA

E' stato ipotizzato che anche la metilazione del DNA sia coinvolta nella promozione

della longevità. I primi studi a riguardo evidenziarono infatti una ridotta metilazione

associatà all'età ma successive analisi hanno mostrato che a livello di molti geni si

assiste a una ipermetilazione (Maegawa et al., 2010). D'altro canto cellule da uomini e topi con sindromi progeroidi presentano modificazioni della metilazione al DNA e degli istoni che rispecchiano quelle trovate nel normale invecchiamento (Osorio et al

2010). E' stato anche ipotizzato che tutti questi cambiamenti che si accumulano durante la vita potrebbero influenzare il comportamento e la funzionalità delle cellule staminali e quindi le capacità rigenerative dei tessuti (Pollina e Brunet). A supporto che la metilazione del DNA possa influire sulla longevità mancano tuttavia dimostrazioni sperimentali più dirette.

3. Rimodellamento della cromatina

Oltre agli enzimi che modificano il DNA e a quelli che agiscono sugli istoni, alcune proteine presenti a livello dei cromosomi quali la proteina dell'eterocromatina a (HP a il gruppo di proteine rimodellanti la cromatina dette Polycomb, il complesso proteico NuRD, anch'esso ad azione rimodellante, hanno un impatto importante sulla trascrizione perché regolano anch'esse l'accesso al DNA da parte di altri fattori (Pegoraro et al., 200 ; Pollina e Brunet, 20 1). E' stato osservato che i livelli delle proteine suddette si riducono durante l'invecchiamento sia fisiologico che patologico con il risultato di cambiamenti rilevanti nella struttura della cromatina, ridistribuzione e addirittura perdita globale di eterocromatina (Oberdoeffer e Sinclair, 2007; Tsurumi e Li, 2012). Il rapporto causale tra queste alterazioni e l'invecchiamento è stato scoperto osservando che mosche con mutazioni determinanti la perdita di funzionalità di HP a avevano una vita più breve . In più l'induzione di un'aumentata espressione della proteina dell'eterocromatina, sempre nelle mosche, aumenta la longevità e ritarda il deterioramento del tessuto muscolare tipico dell'età avanzata (Larson et al., 2 12). L'importanza di queste proteine è stata ribadita dall'osservazione dell'esistenza di una relazione tra la formazione di cromatina altamente condensata in corrispondenza di domini contenenti DNA ripetuto e la stabilità dei cromosomi. Nel dettaglio, l' eterocromatina vicino alla zona di contatto tra i cromatidi e a livello le regioni telomeriche, già viste come di estrema rilevanza nel processo di invecchiamento, subisce molte modificazioni epigenetiche (Blasco, 200 b; Gonzalo et al., 200 ;

Schotta et al., 20 ). La modificazione, da parte di sistemi enzimatici specifici, della eterocromatina comprendente i telomeri influenza la regolazione della loro lunghezza, la quale, come visto, è coinvolta nella progressione verso l'età avanzata (Lòpez-Otin et al., 20 3).

4.Alterazioni trascrizionali

Le alterazioni a livello epigenetico suddette portano, come già accennato, ad un cambiamento dell'espressione genica con l'invecchiamento. In generale in età avanzata si ha un aumento dei livelli trascrizionali e la produzione e maturazione anomala di molti mRNAs (Bahar et al., 06; Harries et al., 0 1; Nicholas et al.,

2010). Confrontando tessuti giovani e vecchi di molti organismi tramite studi con microarrays è stato difatti visto che durante l'invecchiamento si assiste a una variazione dell'espressione di alcuni geni codificanti importanti componenti della risposta infiammatoria, alcune proteine mitocondriali e alcuni elementi delle vie di degradazione lisosomiali (de Magalhaes et al., 2009). Tali alterazioni trascrizionali vanno ad interessare in realtà anche piccoli RNAs non codificanti, definiti microRNAs (miRNA), come i gero-miRS. Questi miRNAs influiscono o sull'espressione di proteine coinvolte nei meccanismi che regolano la longevità o sul comportamento delle cellule staminali (Boulias e Horvitz, 2 12; Toledano et al., 2 12; Ugalde et al.,

2011). Tutto ciò è confermato grazie a studi di perdita o guadagno di funzionalità di questi microRNAs in Drosophila Melanogaster e C. Elegans (Liu et al., 012; Shen et al., 20 2; Smith Vikos e Slack, 2 12).