Menu
Epigenetica | Biochronicles

Epigenetica: un nuovo approccio all’evoluzione

L’EPIGENETICA E IL NUOVO MODO DI VEDERE GENOMA ED EVOLUZIONE

Recenti scoperte scientifiche hanno rivelato come l’espressione del nostro genoma possa essere influenzata dall’ambiente. La scienza che studia come avviene questa interazione è l’epigenetica, che promette di rispondere a nuovi e antichi interrogativi.

DARWIN E LAMARCK: LA CORSA ALLA SPIEGAZIONE DELL’EVOLUZIONE

Se fossimo stati su una delle affollate banchine del porto inglese di Plymouth, il 27 dicembre 1831, la nostra attenzione non sarebbe stata particolarmente attratta da un piccolo brigantino, chiamato Beagle, che faceva vela verso Sud.

Su quel guscio di noce il ventiduenne Charles Darwin cominciava il suo viaggio attorno al globo, che lo porterà a pubblicare, nel 1859, uno dei testi scientifici più importanti nella storia, “L’origine delle specie”.

In questa trattazione il naturalista inglese proponeva la sua celebre teoria dell’evoluzione che avrebbe avuto pesanti ripercussioni sia nel mondo scientifico sia in quello religioso e, naturalmente, sull’intera società.

Secondo Darwin l’ambiente naturale opera una selezione sugli individui di una popolazione, favorendo la sopravvivenza degli organismi meglio adattati al luogo in cui vivono.

In questa maniera la popolazione si evolve nel tempo e si diversifica, affinando l’arte della sopravvivenza con strategie sempre più complesse.

La potenza del messaggio racchiuso all’interno de L’origine delle specie fu supportato dalle prove scientifiche che lo accompagnavano, e fu per questo motivo che in breve tempo l’opera di Darwin venne universalmente accettata nel mondo scientifico come la risposta alla genesi di tutti gli organismi viventi.

Oltre a Darwin molti altri studiosi del suo tempo stavano tentando di dare una spiegazione strutturata alla differenziazione e alla varietà della vita sulla Terra.

Fino al momento della pubblicazione de L’origine della specie, la teoria evolutiva più accreditata era quella proposta dal Jean-Baptiste de Lamarck.

Secondo Larmarck gli organismi odierni sono il frutto di un graduale processo di cambiamenti indotti dalle condizioni ambientali. In particolare, egli sosteneva che un organo può svilupparsi o meno in maniera dipendente al suo grado di utilizzo (Legge dell’uso e del non uso) e che un carattere acquisito da un animale durante il corso della sua vita può essere trasmesso alla progenie (Legge dell’ereditarietà dei caratteri acquisiti).

Darwin | Biochronicles

L’avvento della nuova teoria evolutiva proposta da Darwin nel 1859, trovò sempre più prove concrete a suo favore e all’inizio del ‘900, a seguito della riscoperta del lavoro di Gregor Mendel, si trovarono delle nuove basi genetiche e molecolari che spiegavano il fenomeno della selezione naturale.

Nacque a questo punto quello che è definito Neodarwinismo, che amplia il lavoro di Darwin includendo le nuove scoperte fatte nei settori più giovani della biologia, come la genetica.

Il Neodarwinismo rifiutò completamente il principio dell’ereditarietà dei caratteri acquisiti di Lamarck (nonostante questo non fosse stato bocciato dal lavoro di Darwin) e considerò la Teoria Lamarckiana alla stregua di un’eresia.

Nuove evidenze scientifiche però stanno dando nuovamente credito al principio dell’ereditarietà dei caratteri acquisiti (anche se su un piano molecolare) e il lavoro di Lamarck si sta dimostrando non del tutto falso.

IL FANTASMA DI LAMARCK

Se dovessimo mettere a confronto un velocista con un maratoneta ci accorgeremmo immediatamente di due differenze fondamentali: il primo ha uno scatto e una velocità iniziale molto grande, il secondo invece, seppur più lento, ha un’enorme resistenza sulle lunghe distanze.

Allo stesso modo possiamo mettere a confronto la teoria evolutiva di Lamarck e quella di Darwin.

La teoria Lamarckiana dei caratteri acquisiti spiega processi evolutivi sia a lungo che a breve termine, nell’ordine delle decine o delle centinaia di anni, mentre il processo evolutivo della selezione naturale di Darwin può essere applicato solo a intervalli di tempo estremamente lunghi, dalle migliaia ai milioni di anni.

Esperimenti e studi condotti negli ultimi settant’anni hanno messo in evidenza processi evolutivi a breve termine che non possono essere spiegati semplicemente dalla teoria Neodarwiniana.

Infatti, secondo il modello Neodarwiniano, la pressione selettiva agisce sull’assortimento genetico derivante da mutazioni casuali e questo induce il processo evolutivo.

Il fantasma di Lamarck fu riesumato da Waddington e dai suoi esperimenti condotti su Drosophila Melanogaster. Questi studi ebbero il pregio di spiegare la fissazione di mutazioni nell’arco di poche generazioni, con una modalità coerente con i principi del neodarwinismo.

Il sunto di questi esperimenti può essere ritrovato all’interno della definizione del processo di canalizzazione.

La canalizzazione consiste nel forzare o appunto “canalizzare” l’espressione genica in percorsi che seguano il fenotipo selvatico, celando altre variazioni dello stesso carattere (hidden variations).

Queste variazioni possono essere riportate alla luce grazie a stimoli ambientali, solitamente stressanti per la cellula, come temperatura estreme.

Non si tratterebbe quindi di vere e proprie mutazioni ma di una “riscoperta” di una variante di un carattere all’interno del patrimonio genetico che, con l’andare del tempo, può fissarsi secondo un processo evolutivo darwiniano.

Questi studi hanno portato alla definizione di epigenetica, di cui fa parte un campo di studi recentissimo che ha come interesse principale le modifiche del genoma e della regolazione genica attraverso meccanismi diversi dalla semplice mutazione della sequenza nucleotidica.

DEFINIZIONE DI EPIGENETICA

A Waddington è attribuibile la prima definizione di epigenetica che però è parzialmente diversa e in contrapposizione con l’accezione odierna del termine. Essa inoltre era circoscritta al campo dell’embriologia.

La definizione ufficiale di epigenetica è comunemente identificata con quella proposta da Riggs:

L’epigenetica è lo studio delle variazioni mitotiche e meiotiche nella funzione genomica che non possono essere spiegate nei termini di variazioni di sequenza del DNA (Riggs, 1996).

medicine-163707_640

L’INDIVIDUAZIONE DI ALCUNI FENOMENI EPIGENETICI

I primi fenomeni epigenetici scoperti riguardarono una classe di proteine molto comuni all’interno della cellula, le Heat shock proteins (HSP), tra queste le più importanti sono le chaperonine, il cui ruolo fondamentale è quello di correggere le proteine malformate.

Il ripiegamento incorretto delle proteine può essere causato da fenomeni di stress esogeno.

Non stupisce quindi, che la scoperta delle HSP sia stata fatta inizialmente all’interno di in un gruppo di cellule che erano state poste in un ambiente dalla temperatura elevata, causando quindi un forte stress per la cellula.

Il modo di operare delle chaperonine è un indizio dell’effettiva presenza del processo di canalizzazione proposto da Waddington. Infatti, se le chaperonine perdono la loro funzione, le hidden variations possono essere espresse e organismi con genotipi identici possono differire a livello funzionale. Questa nuova operatività acquisita non sarebbe quindi prodotta da una modifica casuale della sequenza del DNA, ma da una variazione indotta dall’ambiente.

Un altro fenomeno epigenetico sotto l’occhio di tutti è l’inattivazione del cromosoma X.

Questo silenziamento totale del cromosoma, causato da un impacchettamento estremo del materiale genetico, è di vitale importanza negli individui di sesso femminile dei mammiferi.

Le caratteristiche di questa inattivazione e il suo mantenimento nel tempo non può essere spiegato tramite un processo Neodarwiniano classico: esso è permanente, può essere trasmesso alle generazioni successive e soprattutto non è possibile ricondurlo ad un’alterazione della sequenza nucleotidica.

I fenomeni epigenetici descritti qui sopra sono tra i più eclatanti e facili da osservare, ma la maggior parte della regolazione della trascrizione e dell’espressione genica, per quanto riguarda i fattori epigenetici, avviene tramite la metilazione del DNA.

LA METILAZIONE DEL DNA

La metilazione del DNA avviene dopo la replicazione della doppia elica ad opera di enzimi chiamati DNA metiltransferasi (DNMT).

Nei mammiferi e più in generale negli eucarioti superiori, questi enzimi trasferiscono dei gruppi metilici (CH3) sul carbonio 5 della citosina.

La metilazione del DNA ha svariate utilità nel corretto mantenimento del patrimonio genetico, a partire dal discernimento delle molecole di DNA neo-sintetizzate da quelle che hanno fatto da stampo.

Tra queste funzioni vi è anche l’inattivazione dell’espressione genica, alla base dei processi epigenetici, infatti, la sequenza nucleotidica interessata dalla metilazione non può essere trascritta e il suo contenuto informazionale non viene tradotto.

Vi è quindi un controllo epigenetico dell’espressione dei geni, che possono risultare attivati o meno e questo significa che il fenotipo non sempre è lo specchio esatto del genotipo e che anzi esso risulta essere il frutto di un’interazione dinamica fra più fattori, tra cui anche quelli epigenetici.

Diversi esperimenti condotti nell’ultima ventina d’anni nei più svariati campi del mondo della biologia stanno suggerendo inoltre che l’ambiente può esercitare una qualche pressione sul meccanismo di metilazione del DNA, influenzando quindi il fenotipo dell’organismo.

Si pensa poi che parte del pattern di metilazione del genoma (ovvero l’insieme delle sequenze metilate e non), abbia la capacità di essere ereditato come la normale sequenza nucleotidica. Per ora però non vi sono evidenze certe se questo passaggio da una generazione all’altra della modalità di metilazione avvenga realmente. Per di più si ignora, nella stragrande parte dei processi classificati come epigenetici, in che modo l’ambiente influenzi operativamente l’espressione genica.

Comunque sia sembra ormai chiaro che l’espressione del patrimonio genetico vada oltre i meccanismi già appurati e che essa sia ben più complicata di quello che ci si aspettasse.

UN ESEMPIO DI REGOLAZIONE EPIGENETICA: LA DIETA MEDITERRANEA

Sebbene vi siano molte prove empiriche a favore della presenza di fenomeni epigenetici negli eucarioti superiori, è a mio parere più efficace ed esplicativo esporre un esempio di regolazione epigenetica di cui si conoscono i vari passaggi fondamentali.

In un esperimento condotto da Morgan alla fine del millennio scorso, nel 1999, si è trovata una chiara correlazione tra la dieta di una madre di topo durante la gestazione e l’espressione del genotipo nei cuccioli partoriti, spiegabile attraverso un processo epigenetico.

epigenetica agouti dimensioni giuste

In questo esperimento un primo gruppo di madri è stato nutrito con sostanze donatrici di gruppi metili come la vitamina B12, l’Acido Folico e la Colina, mentre un secondo è rimasto privo di queste sostanze.

Alla nascita la prole del gruppo 1 (quello con le madri con la dieta ricca di gruppi metile), presentava una colorazione del manto brunastra, mentre i cuccioli delle madri del gruppo 2 avevano il colore della pelliccia giallo, chiamato classicamente agouti.

La differenza di colore nel manto è spiegabile attraverso un processo epigenetico. Difatti la metilazione di una sequenza particolare del DNA, il trasposone IAP (Intracisternal-A Particle), inibisce l’espressione del gene che codifica per la colorazione del pelo agouti e produce quindi individui con il manto marrone.

Al contrario, la mancanza di gruppi metili su IAP permette l’espressione del gene per il pelo agouti.

Questo interessante esperimento dimostra con grande eleganza come l’espressione dei geni possa essere influenzata dall’ambiente, in questo caso dalla dieta.

Bisogna tenere conto, naturalmente, che i fenomeni epigenetici vanno oltre la semplice introduzione nell’organismo di sostanze ricche di donatori di gruppi metile e che per ora si sta solamente scoprendo la punta dell’iceberg.

Particolare scalpore può suscitare l’osservazione che i cuccioli con la pelliccia gialla avevano una probabilità maggiore rispetto a quelli con il manto marrone di sviluppare tumori e di essere soggetti ad obesità e diabete.

Questa scoperta apre le porte a numerosissimi altri approfondimenti nel capo dell’epigenetica, anche e soprattutto per quanto riguarda la salute dell’uomo.

Le nuove scoperte nel campo dell’epigenetica si stanno rivelando superiori alle aspettative e influenzano direttamente il modo in cui intendiamo il genoma e l’espressione genica.

Pare ormai chiara la presenza di una qualche interazione dei geni con l’ambiente che ci circonda e questo va a riesumare, con le dovute proporzioni, quello che sosteneva Lamarck.

Oltre a migliorare la definizione odierna di evoluzione, l’epigenetica promette di poter rispondere a molti interrogativi che interessano la salute dell’uomo e questo, auspicabilmente, porterà a numerosi benefici.

Da non dimenticare è lo studio dell’epigenetica applicato ai vegetali, sui quali sono stati condotti numerosi esperimenti che hanno svelato moltissimo su questo mondo “al di sopra” del codice genetico.

BIBLIOGRAFIA

 

A cura di Giovanni Sestini. Revisionato da Giulia Ciceri


About the Author : Giovanni Sestini

Futuro biotecnologo. Curioso e organizzato. Amante della storia moderna. Appassionato di libri di avventura.

2 Comments
  1. Andrea Torti 18/08/2015 at 15:42 - Reply

    Chiaro e interessante!
    Sul mio testo di Biologia del Liceo, se ben ricordo, il discorso era affrontato molto alla larga con l’esempio del gatto siamese, il cui pelo è chiaro sulle aree più calde del corpo, per via dell’inattivazione del gene preposto al colore bruno a temperature maggiori o uguali ai 34°C.
    Una piccola rivincita per Lamarck, di solito confinato in due paginette insieme al Catastrofismo di Cuvier…

  2. Guglielmo Paganetto 21/11/2015 at 10:51 - Reply

    Bravo Giovanni, ottima sintesi! Il mio libro è stato scritto per i ragazzi curiosi e in gamba come te.
    Spero che approfondirai i tuoi interessi in una prospettiva professionale.
    Buon lavoro

Leave a Comment

Your email address will not be published.

Related post

  TOP