Med — Knowledge Base

Meccanismo dell'Imprinting

4 minuti

Meccanismo dell’Imprinting

Il controllo differenziale dell’espressione genica nell’Imprinting Genomico è mediato da modificazioni epigenetiche del DNA e della cromatina, che variano in base all’origine parentale del cromosoma.

Il meccanismo biochimico fondamentale alla base dell’imprinting è la metilazione delle isole CpG del DNA, catalizzata da DNA metiltransferasi (DNMT).

Organizzazione in Cluster e Regioni DMR / ICR

Mentre nei geni biallelici la metilazione delle CpG avviene su entrambi gli alleli (silenziamento completo) o su nessuno dei due (espressione attiva), nei geni sottoposti ad imprinting la metilazione è asimmetrica ed interessa solo l’allele che deve essere silenziato.

I geni imprinted non sono sparsi casualmente nel genoma, ma sono tipicamente organizzati in cluster (gruppi di geni vicini). Ciascun cluster contiene sia geni a espressione paterna che materna, controllati in modo coordinato da un’unica regione regolatoria comune:

  • DMR (Differentially Methylated Region): Regione di DNA metilata in modo differenziale sui cromosomi materni e paterni.
  • IC / ICR (Imprinting Center / Imprinting Control Element): Il centro funzionale della DMR che coordina l’attivazione e il silenziamento dei geni circostanti.

Nelle regioni ICR la metilazione non agisce sempre come segnale diretto di silenziamento, ma coordina uno stato conformazionale cromatinico complesso che determina quali geni esprimere e quali silenziare su ciascun allele.

I Tre Meccanismi Molecolari d’Azione

Si descrivono tre modalità principali con cui la metilazione differenziale dell’ICR regola l’espressione monoallelica nel cluster:

1. Silenziamento Diretto del Promotore

  • Funzionamento: La metilazione dell’isola CpG situata direttamente nel promotore del gene impedisce stericamente il legame dei fattori di trascrizione e dei complessi della trascrizione (RNA Polimerasi). Il gene rimane silenziato sull’allele metilato ed espresso su quello non metilato.

2. Modello dell’Insulator / Enhancer-blocking

  • Funzionamento: L’attivazione di un gruppo di geni dipende da elementi regolatori distali chiamati enhancer. L’accesso a questi enhancer è regolato da una proteina bloccante chiamata insulator (in particolare la proteina CTCF), che è in grado di legarsi all’ICR soltanto se la regione NON è metilata.
    • Sull’allele non metilato: L’insulator si lega all’ICR formando un loop cromatinico che scherma fisicamente i promotori dei geni a monte. Gli enhancer a valle possono interagire e attivare solo i geni situati dopo l’ICR, mentre i geni a monte vengono silenziati.
    • Sull’allele metilato: La presenza dei gruppi metilici impedisce il legame dell’insulator all’ICR. In assenza dello scudo proteico, gli enhancer a valle possono interagire liberamente con i promotori dei geni a monte, attivandone la trascrizione, mentre i geni adiacenti all’enhancer vengono silenziati.

3. Silenziamento Mediato da lncRNA Antisenso

  • Funzionamento: L’ICR controlla il promotore di un gene che trascrive un long non-coding RNA (lncRNA) in direzione antisenso rispetto ai geni codificanti del cluster.
    • Sull’allele non metilato: Il promotore del lncRNA è attivo. La trascrizione del lncRNA richiama complessi multiproteici modificatori degli istoni, come il complesso PRC2 (Polycomb Repressive Complex 2). Questo complesso promuove la chiusura della cromatina (eterocromatinizzazione) tramite modificazioni istoniche repressive (es. metilazione di H3K27 e H3K9, demetilazione di H3K4), determinando il silenziamento di tutti i geni codificanti del cluster.
    • Sull’allele metilato: Il promotore del lncRNA è metilato e spento. In assenza della trascrizione del lncRNA, non vengono reclutati i complessi repressivi istonici; la cromatina rimane aperta (eucromatina) e i geni codificanti del cluster vengono espressi regolarmente.

Modello di Studio: Il Locus 11p15.5

La regione cromosomica 11p15.5 contiene due domini imprinted adiacenti che regolano la crescita fetale e sono implicati nella Sindrome di Beckwith-Wiedemann e nella Sindrome di Silver-Russell:

Dominio A (Più Telomerico — Regolato da Insulator)

Contiene il centro dell’imprinting IC1, il gene H19 (lncRNA inibitore di crescita) e il gene IGF2 (fattore stimolante la crescita fetale).

  • Allele Materno (IC1 NON metilato): La proteina insulator si lega a IC1. Gli enhancer a valle attivano la trascrizione di H19, ma sono schermati e non possono raggiungere IGF2, che rimane silenziato.
  • Allele Paterno (IC1 metilato): L’insulator non può legarsi. Gli enhancer a valle attivano IGF2 (e Ins2), mentre il promotore di H19 viene metilato e silenziato.

Dominio B (Più Centromerico — Regolato da lncRNA)

Contiene il centro dell’imprinting IC2 (KvDMR1), il gene per il lncRNA Lit1 (Kcnq1ot1) e diversi geni codificanti tra cui CDKN1C (inibitore del ciclo cellulare e della crescita) e KCNQ1.

  • Allele Paterno (IC2 NON metilato): Il promotore di Lit1 è attivo e viene trascritto il lncRNA, che recluta PRC2 inducendo la chiusura della cromatina. Di conseguenza, CDKN1C e gli altri geni del cluster vengono silenziati.
  • Allele Materno (IC2 metilato): Il promotore di Lit1 è metilato e silenziato. La cromatina rimane aperta e CDKN1C viene espresso attivamente.

🔗 Collegamenti

Vista grafico

Link entranti