In cosa consiste la metilazione del DNA
Tra i meccanismi che regolano l’espressione dei geni c’è la metilazione del DNA, che consiste nell’aggiunta di gruppi metile (-CH3) alle basi azotate. Si verifica più di frequente al livello delle sequenze che hanno alto contenuto di citosina e guanina (isole CpG). Tuttavia anche l’adenina si presta a ricevere il gruppo metile, come avviene nel cromosoma di alcuni batteri come Escherichia coli.
Questo processo, come anche l’acetilazione, la fosforilazione e l’ubiquitinazione, fa parte dei meccanismi epigenetici. Non si tratta di mutazione della sequenza nucleotidica, ma hanno comunque un grosso peso a livello del fenotipo degli organismi. Determina infatti l’attivazione o il silenziamento dei geni, pur senza cambiare nulla nel codice genetico
L’enzima che media la metilazione del DNA
Nelle cellule umane e in generale dei mammiferi questa modificazione epigenetica dipende da una famiglia di enzimi chiamata a DNA-metil-transferasi, spesso abbreviata in DNMT. La principale è DNMT1, seguita da DNMT3A e DNMT3B, che è nota anche come DNA (citosina-5) metiltrasferasi 1. Questo perché il gruppo metile si aggiunge sul carbonio 5 dell’anello della citosina.
Quando DNMT1 lega il DNA si osserva che nel sito attivo questo mantiene la sua struttura a doppia elica ad eccezione del nucleotide che riceverà la modifica. Il gruppo metile da aggiungere all’anello pirrolico della citosina si ricava da una molecola donatrice che funge da coenzima per la metilazione, ossia S-adenosilmetionina (SAM).
Per studiare l’attività in vivo al posto di SAM però si è utilizzata una molecola simile che pur competendo con il coenzima non è reattiva. Si tratta di S-adenosyl homocysteine, un composto che si sintetizza in laboratorio e che è il precursore biosintetico dell’omocisteina. Questo amminoacido si trova anche nel nostro corpo, disciolto nel plasma sanguigno.
Mentre gli enzimi elencati prima mediano la stessa reazione, ne esiste un altro interno alla famiglia delle DNA-metiltrasferasi che invece svolge solo la funzione di regolatore. Si tratta di DNMT3L, che però nella sua struttura non contiene i residui amminoacidici necessari per portare a termine il trasferimento del gruppo -CH3. Pare che abbia un ruolo anche nello stabilire l’imprinting materno sul genoma filiale.
Che effetti ha a livello dell’espressione genica
La metilazione del DNA è coinvolta in diversi processi di regolazione epigenetica, di cui vediamo i principali di seguito:
- Lo sviluppo embrionale.
L’attività della DNA-metiltrasferasi inizia prima ancora che il feto sia del tutto formato, stabilendo l’imprinting materno. Mentre DNMT3A e DNMT3B stabiliscono dei pattern de novo a livello dei siti da metilare l’enzima DNMT1 è essenziale per mantenerli durante la replicazione cellulare.
- L’inattivazione del cromosoma X.
Nei mammiferi di sesso femminile, che hanno in ogni cellula somatica due copie di questo cromosoma sessuale, si verifica il silenziamento di uno dei due. La sua trascrizione si silenzia a causa di un addensamento della cromatina e va a formare il corpo di Barr. Al microscopio infatti questo cromosoma appare molto scuro e compatto.
- Inattivazione delle sequenze genetiche.
La metilazione del DNA è associata all’inibizione della trascrizione di determinate regioni. Infatti in caso i gruppi metile siano pochi (ipometilazione) si ha un aumento dell’espressione genica, mentre se sono più del normale si ha una riduzione. Un errore può portare a conseguenze molto gravi per un organismo.
- Riparazione dei cromosomi.
A causa dell’esposizione a determinati agenti mutageni o a errori della DNA polimerasi le sequenze nucleotidiche possono subire danni o mutazioni nocive. Il meccanismo di reversione diretta di un danno richiede l’impiego della guanina metiltransferasi (MGMT).
La determinazione quantitativa della metilazione
Una di queste riguarda proprio la quantificazione delle sequenze di DNA dove è avvenuta la metilazione. Il vantaggio del test ELISA è la sua rapidità, in quanto la sua esecuzione richiede circa due ore. In alternativa si può ricorrere alle analisi HPLC/MS (cromatografia liquida ad alta prestazione abbinata alla spettrometria di massa).
Questo tipo di test serve a determinare la purezza di una soluzione chimica oltre che la sua composizione. Si svolge in due step, dove il primo serve a separare le sostanze presenti con una cromatografia condotta a una pressione di 1.000 bar. Invece il secondo riesce a rilevare anche i singoli ioni separandoli in base alla carica e alla massa individuali.
Il legame con il cancro
Questo include anche la metilazione, che essendo in grado di inattivare la trascrizione dei geni può reprimerne sequenze che se espresse sarebbero dannose per l’organismo. Dato che rappresenta una delle alterazioni epigenetiche più diffuse le sue possibili associazioni con alcune malattie sono oggetto di studio da tempo.
