L’influenza dell’ambiente sui geni

Quando si parla di geni si tende a pensare che siano caratteri ereditari sui quali non si possa esercitare alcun effetto. Ma non è propriamente così.

Partiamo dall’epigenetica: una definizione

L’epigenetica, che letteralmente significa “controllo sul patrimonio genetico”, è la scienza che mostra come i geni non si autocontrollino, ma siano controllati dall’ambiente.
Studia, cioè, le modificazioni che variano l’espressione genica senza modificare la sequenza di DNA.

“La differenza fra genetica ed epigenetica può essere paragonata alla differenza che passa fra leggere e scrivere un libro. Una volta scritto il libro, il testo (i geni o le informazioni memorizzate nel DNA) sarà identico in tutte le copie distribuite al pubblico. Ogni lettore potrà tuttavia interpretare la trama in modo leggermente diverso, provare emozioni diverse e attendersi sviluppi diversi man mano che affronta i vari capitoli. Analogamente, l’epigenetica permette interpretazioni diverse di un modello fisso (il libro o il codice genetico) e può dare luogo a diverse letture, a seconda delle condizioni variabili con cui il modello viene interrogato.”
Thomas Jenuwein (Vienna, Austria)

“Mi rifaccio metaforicamente al computer paragonando il disco rigido al DNA e i programmi all’epigenoma. È possibile accedere a determinate informazioni memorizzate sul disco rigido del computer attraverso i programmi, ma ci sono aree protette da password e altre ad accesso libero. Direi che stiamo indagando sul perché alcune aree sono protette da password e altre sono libere.”
Jörn Walter (Saarland, Germania)

Come è organizzato il DNA

Una presentazione approfondita del DNA esula dagli intenti di questo articolo. Ciononostante, sebbene in modo semplificato, vanno messi in chiaro alcuni aspetti.

Il genoma umano è costituito da molecole di DNA che compongono i cromosomi, presenti nel nucleo e nei mitocondri. Il DNA è il biopolimero che contiene il codice genetico di un organismo vivente ed è composto da unità ripetute di nucleotidi, detti anche basi azotate: adenina, timina, citosina e guanina.

Nella gran parte degli organismi viventi, uomo compreso, il DNA è presente come una coppia di filamenti saldamente associati tra loro a formare una struttura definita doppia elica. Le sequenze di basi del DNA sono identiche in entrambi i filamenti e pertanto ognuno dei due è sufficiente per creare una copia complementare perfettamente identica a se stesso.

Il DNA, all’interno del nucleo, si trova sotto forma di cromatina, che a sua volta si configura nei cromosomi. La cromatina è data dal succedersi di DNA avvolto intorno a proteine basiche chiamate istoni, struttura che nel suo insieme viene chiamata nucleosoma, e DNA chiamato linker o DNA di congiunzione, che unisce i nucleosomi adiacenti e contribuisce alla flessibilità propria della fibra.

Per analogia potremmo paragonare una fibra di cromatina a una collana di perle, in cui le perle sono rappresentate dai nucleosomi e il filo che le unisce dal DNA di congiunzione. Non solo: la cromatina contiene poi quantità consistenti di un’ampia varietà di proteine non istoniche, più di un migliaio di differenti tipi, coinvolte in varie attività funzionali, come la replicazione del DNA e l’espressione genica.

Il controllo dell’espressione genica

Il controllo dell’espressione genica si verifica a più livelli:

 - la condensazione del cromosoma, che è il risultato delle proteine istoniche e non istoniche. A seconda di come si presenta la cromatina si può parlare di eterocromatina, molto condensata e in cui il patrimonio genetico non può essere trascritto, o di eucromatina, disponibile alla trascrizione;
 - trascrizione;
 - maturazione dell’mRNA;
 - traduzione;
 - eventi post-traduzionali.

Sebbene tutti i meccanismi siano importanti, quello che ora si vuole prendere in considerazione è il primo.

Il passaggio da eterocromatina a eucromatina, e quindi dalla indisponibilità alla disponibilità alla trascrizione, è reso possibile da alcune modificazioni chimiche reversibili a livello degli istoni. Quando arriva un segnale che indica la necessità di sintetizzare una proteina, il nucleosoma a livello del gene corrispondente viene allentato, rendendo accessibile all’RNA polimerasi la sequenza di DNA che si vuole trascrivere. Una volta terminato il processo, il tratto di filamento verrà nuovamente impacchettato con gli istoni.

Esiste poi la metilazione del DNA, una modificazione chimica in cui ad alcune basi azotate del DNA viene aggiunto un gruppo metile (-CH3). La metilazione del DNA comporta l’inattivazione delle regioni interessate.

Entrambi questi fenomeni, cioè condensazione della cromatina e metilazione del DNA, sono esempi di meccanismi di controllo epigenetici, in cui non si modifica la sequenza nucleotidica, ma si regola semplicemente la sua espressione.

Chi filtra le informazioni?

Stando a quanto detto sinora appare chiaro come siano le informazioni esterne a indurre le modificazioni del DNA e quindi a influenzarne l’espressione. Ciò che influisce in primo luogo è l’ambiente: vi è differenza tra un ambiente che favorisca la vita della cellula e uno che invece la ostacoli.

Ma la domanda vera è: chi filtra queste informazioni? Come fa il DNA a sapere come e quando esprimersi?

Un libro molto bello che risponde a queste domande è La Biologia delle Credenze, scritto dal biologo di fama mondiale Bruce Lipton. Egli espone chiaramente come il cervello della cellula non sia il DNA, bensì la membrana cellulare. Basti pensare che una cellula senza DNA può continuare a vivere fin tanto che il logoramento del citoplasma lo consente, mentre una cellula senza membrana è condannata a morte immediata.

La membrana è una struttura complessa, dotata di proteine che svolgono diverse funzioni, recettoriali ed effettrici. I recettori non si limitano a reagire a segnali fisici, come ormoni, sostanze nutritive o ioni: sono in grado di leggere i campi energetici.

Questo perché non si può ignorare la realtà compresa con la fisica quantistica, secondo cui qualsiasi struttura fisica irradia una specifica configurazione energetica. La materia, infatti, può essere definita contemporaneamente sia come qualcosa di solido, sia come un campo di forza immateriale. In questo senso si capisce come il flusso di informazioni cui viene incontro la cellula non segua esclusivamente un percorso lineare, ma abbia caratteristiche più olistiche. Di conseguenza, le interazioni tra materia ed energia sono particolarmente complesse, per via di interconnessioni che ancora facciamo fatica a identificare.

“Le frequenze ed i modelli elettromagnetici controllano il DNA, l’RNA e la sintesi delle proteine, alterano la forma e la funzione delle proteine, e governano la regolazione dei geni, la divisione e la differenziazione cellulare, la morfogenesi, la secrezione ormonale, la crescita e il funzionamento del sistema nervoso. Ciascuna di queste attività cellulari è un comportamento fondamentale che contribuisce al dispiegarsi della vita.”
Bruce Lipton, 2006

Il complesso recettore-effettore funziona poi come un interruttore, andando ad attivare particolari cascate di segnali.

Un esempio eclatante

Negli ultimi anni le ricerche hanno dimostrato che i modelli di DNA trasmessi per mezzo dei geni non sono fissati dalla nascita, ma sono influenzati dall’ambiente, compresi nutrimento, emozioni e stress.

Un esempio eclatante è l’esperimento svolto da Waterland e Jirtle nel 2003 su femmine di topo gravide con il gene anomalo agouti. I topi che presentavano questo gene anomalo hanno il pelo giallo e sono obesi, fattore predisponente per malattie cardiovascolari e metaboliche.

L’esperimento prevedeva che queste madri agouti, obese e con il pelo giallo, fossero divise in due gruppi: uno che mangiasse quello che mangiava di solito, l’altro che associasse molti integratori biologici, quali folati, vitamina B12, betaina e colina. Questi integratori sono stati scelti per la loro ricchezza in gruppi metilici, che sono in grado di legarsi al DNA e produrre un cambiamento nelle proteine regolatrici e, successivamente, nell’espressione del DNA.

Il risultato dell’esperimento fu che le madri che avevano consumato integratori partorirono topolini normali, magri e col pelo marrone, mentre l’altro gruppo di madri ebbe figli agouti.

L’importanza di questo esperimento è rappresentata dal fatto che, sebbene il patrimonio genetico dei topolini fosse perfettamente identico, il loro aspetto era completamente diverso.

Ciò significa, come hanno scritto Jablonka e Lamb nel 1995 in Epigenetic Inheritance and Evolution – The Lamarckian Dimension, che:

“La recente biologia molecolare ha dimostrato che il genoma è molto più reattivo all’ambiente di quanto si pensasse in precedenza. Ha inoltre dimostrato che le informazioni si possono trasmettere alla discendenza in altri modi oltre che tramite la sequenza base del DNA.”

Conclusioni

In conclusione, le operazioni e quindi la vita della cellula sono improntate sull’interazione con l’ambiente, e non sul solo codice genetico. Il DNA, infatti, non è in grado di controllare le attività cellulari.

La capacità della cellula di sopravvivere è strettamente connessa alla sua abilità nell’adattarsi ai continui cambiamenti dell’ambiente in cui si trova e quindi nel selezionare le giuste risposte e i giusti comportamenti. La membrana cellulare è quell’“unità di percezione” che consente tutto ciò: è dotata di centinaia di migliaia di “interruttori” che interagiscono tempestivamente, attivando cascate di segnali specifiche.

La capacità della membrana di mettere in moto la risposta appropriata è il medesimo ruolo che assume il sistema nervoso nell’uomo.

Visto che il comportamento biologico e l’attività genetica sono collegati in modo dinamico alle informazioni provenienti dall’ambiente, si capisce come proprio le abitudini quotidiane possano incidere in modo importante sul benessere generale.

Qualche mese fa era uscita una ricerca che destava grande scalpore circa gli effetti che solo pochi giorni di sonno ridotto possono indurre a livello genetico: possono arrivare a essere coinvolti più di 700 geni. Questo studio mette in risalto come il sonno, da solo, impatti in modo decisivo sull’espressione genica.

Si può in questo senso estendere il ragionamento e comprendere quanto uno stile di vita sano, e anche pensieri costruttivi e positivi, possano impattare sulla salute. Laddove le cellule trovino un ambiente fertile e salubre, vi sono maggiori possibilità che crescano sane e, di conseguenza, che sia sano anche l’organismo che compongono.

Bibliografia

Bruce H. Lipton, La Biologia delle Credenze. Come il pensiero influenza il DNA e ogni cellula, 2006, Macroedizioni.

Sitografia

https://it.wikipedia.org/wiki/Epigenetica
https://it.wikipedia.org/wiki/DNA
https://it.wikipedia.org/wiki/Nucleotide
http://epigenome.eu/it/1,1,0
http://www.iismarchesi.it/sites/default/files/materiale/balia.giordano/laregolazionedellespressionegenica.pdf
http://www.chimicare.org/curiosita/la-chimica-e-la-salute/gli-acidi-nucleici-dalla-cromatina-nucleotidi/