Silenziamento genico

Silenziamento genico

Come abbiamo detto, la più comune forma di silenziamento è associata ad una conformazione della cromatina che la rende più densa, detta eterocromatina. Quest'ultima è frequentemente associata a particolari regioni del cromosoma come i telomeri e i centromeri. Si è visto, infatti, che se un gene viene sperimentalmente spostato all'interno di queste regioni, questo gene viene generalmente spento. Nelle cellule di mammifero è stimato che circa il 50% del genoma è in uno stato eterocromatico. Inoltre, abbiamo detto che la regione eterocromatica può espandersi, ma questa sua espansione, come anche l’azione a distanza di un enhancer, può essere bloccata dall’azione di una regione detta isolatore. Non è ancora ben chiaro il suo modo d’azione.  In lievito, invece,  il silenziamento genico è tipico delle regioni telomeriche. La proteina Rap1 si lega sulle sequenze telomeriche e recluta il complesso Sir (Sir2, Sir3, Sir4). Sir2 è una HDAC (deacetilasi degli istoni) e il complesso Sir si lega preferenzialmente a nucleosomi ipoacetilati. In questo modo la regione silenziata si espande nella regione subtelomerica, grazie appunto alla deacetilazione che è un segnale di repressione della trascrizione.

Oltre a modificazioni degli istoni (come la trimetilazione del residuo H3K9) anche la metilazione del DNA è correlata con l’inattivazione genica, probabilmente per il legame di proteine che riconoscono il DNA metilato (MeCP1, MeCP2). Dal 2 al 7% delle citosine del DNA di cellule animali è metilato, specialmente sul dinucleotide 5' meCG 3'. Si è visto che le regioni di eterocromatina sono ipermetilate, mentre le regioni attivamente trascritte sono demetilate. Lo stato di metilazione può essere perpetuato da un enzima che riconosca come substrato solo i siti emimetilati. In organismi come Drosophila il DNA non è metilato. Lo stato di metilazione è controllato da tre tipi di enzimi: de novo metilasi è richiesta per metilare nuovi siti, la metilasi di mantenimento per la perpetuazione , e la demetilasi per rimuovere gruppi metile in siti specifici. Metilazione e demetilazione sono fenomeni tipici dell’embriogenesi. I gameti sono sostanzialmente ipermetilati, ma spermatociti e oociti presentano patterns di metilazione differenti. Durante l’embriogenesi si ha una sostanziale demetilazione, seguita da metilazione di regioni specifiche in correlazione con il differenziamento cellulare. Per studiare la distribuzione dei gruppi metile si possono usare gli enzimi di restrizione MspI e HpaII. Questi enzimi riconoscono la stessa sequenza (CCGG), ma MspI non taglia la sequenza metilata. La metilazione del gene, in particolare della regione del promotore, porta all’inattivazione. Nei mammiferi, invece, la regione al 5' di molti geni (circa il 60% nell’uomo) è caratterizzata dalla presenza di una frequenza di dinucleotidi CG superiore alla media. Sono le isole CG, lunghe 1-2 kb e con un contenuto G+C superiore al 60%. Tutti i geni espressi costitutivamente (housekeeping) hanno isole CG demetilate (metà del totale delle isole).
Il fenomeno dell'imprinting genomico, porta all’espressione soltanto dell’allele materno oppure paterno. E’ un tipo di regolazione presente nei mammiferi (circa 80 geni) e nelle piante ed è collegato con i pattern di metilazione specifici delle cellule germinali. L’imprinting è riprogrammato nella linea germinale ossia, lee marcature di metilazione del DNA vengono cancellate nelle cellule germinali. I geni coinvolti sono poi metilati de novo in uno dei gameti. Nell’uomo i geni H19 e Igf2 sono controllati dall’imprinting. Nel cromosoma materno H19 è espresso, mentre Igf2 è inibito dal legame delle proteine CTFC all’isolatore. Nel cromosoma paterno Igf2 è espresso e H19 è represso a causa della metilazione dell’isolatore e del promotore di H19. Un altro esempio di eredità epigenetica è l'inattivazione del cromosoma X nelle femmine di mammifero, in cui è un intero cromosoma a venir inattivato in seguito alla formazione di una struttura di eterocromatina. L’inattivazione del cromosoma X è regolata dall’attività di una regione, situata sullo stesso cromosoma X, chiamata Xic (X-inactivation center). Vari passaggi sono implicati (conteggio degli X, scelta, inizio del silenziamento, formazione e mantenimento della struttura repressa) e coinvolgono diversi prodotti genici e l’instaurazione di diverse caratteristiche tipiche dell’eterocromatina. Il prodotto più importante della regione Xic è Xist, un lungo RNA non codificante di 17 kb. Prima dell’inizio dell’inattivazione Xist è codificato a bassi livelli da entrambi gli X. Quindi la trascrizione di Xist del cromosoma che verrà inattivato aumenta molto, mentre viene represso il gene del cromosoma X che rimarrà attivo. Aumenta anche la stabilità dello Xist espresso, che forma una copertura del cromosoma inattivato. La struttura complessiva di Xist è ben conservata tra le varie specie. In particolare, l’esone 4 forma una caratteristica struttura a forcina. La stabilità e l’espressione di Xist è regolata dal gene Tsix, che produce un RNA antisenso rispetto a Xist. Tsix è represso sul cromosoma X inattivato e espresso sul cromosoma X attivo, in maniera inversa rispetto a Xist. La sintesi di Xist non è necessaria per il mantenimento della struttura repressa, che prevede la deacetilazione degli istoni, la metilazione del DNA e la presenza massiccia di macroH2A, una variante dell’istone H2A. Il reclutamento delle altre componenti che contribuiscono alla formazione della struttura eterocromatica è probabilmente mediato da Xist. Oltre a deacetilazione degli istoni e metilazione del DNA, in una fase precoce avviene la metilazione della Lisina K9 dell’istone H3.