Trascrizione negli eucarioti e nei procarioti con relativo processo di regolazione, Appunti di Biologia Molecolare

Scarica Trascrizione negli eucarioti e nei procarioti con relativo processo di regolazione e più Appunti in PDF di Biologia Molecolare solo su Docsity! DI DARIO SANTULLI Trascrizione La trascrizione è quel momento biologico durante il quale si attua la trascrizione di una molecola di acido ribonucleico a partire da una molecola di acido desossiribonucleico. Da un punto di vista concettuale esso rappresenta il momento in cui l'informazione genetica passa dalla molecola di DNA alla molecola di RNA. La trascrizione è mirata alla produzione di diverse tipologie di acidi ribonucleici, fra i quali i più rilevanti sono naturalmente l'mRNA, l'RNA transfer, e l’RNA ribosomiale, parte integrante della struttura del macchinari molecolari di traduzione. La trascrizione è un processo in cui substrati sono rappresentati da ribonucleotidi trifosfato: ATP, CTP, GTP e UTP. La reazione è direttamente catalizzata dall'enzima RNA polimerasi. Una molecola di acido ribonucleico possiede delle differenze sostanziali rispetto di una molecola di acido desossiribonucleico: la prima consiste nel furanosio nucleotidico, infatti il pentoso di riferimento non è rappresentato da una molecola di desossiribosio ma da una di ribosio; inoltre un'altra differenza consiste nella base azotata timina la quale non è presente, ed è sostituita dall’uracile. La molecola di RNA è una molecola a singolo filamento, rispetto al DNA che invece è a doppio filamento. Una volta prodotto l'RNA messaggero, esso è inizialmente incapace di trasmigrare nella regione citoplasmatica; affinché questo avvenga deve andare incontro ad un importante processo di maturazione funzionale e strutturale. La trascrizione avviene tanto negli organismi eucariotici quanto in quelli procariotici; tuttavia tale processo naturalmente coinvolge enzimi e proteine differenti in virtù della semplicità o della complessità del materiale genetico di riferimento. Trascrizione nei procarioti Nei procarioti l'enzima RNA polimerasi ha una struttura relativamente semplice: tale enzima consiste in due subunità alfa, due subunità beta, una subunità omega ed una subunità sigma. La subunità sigma e quella che riconosce specifiche sequenze di avvio della trascrizione presenti a livello del genoma batterico, mentre il core enzimatico è quello che possiede attività catalitica e propriamente trascrizionale. 1. Fase di inizio: durante la fase di inizio l'RNA polimerasi batterica riconosce specifiche sequenze di avvio della trascrizione, e ad esse si associa. I promotori sono delle sequenze che hanno elevata affinità verso un RNA polimerasi batterica che altrimenti si assocerebbe a qualunque regione del genoma, nei confronti del quale sviluppa una discreta affinità. 2. Fase di allungamento: nella fase di allungamento l'RNA polimerasi si sposta sul DNA antisenso per trascriverne l'informazione in una molecola di acido ribonucleico. 3. Fase di terminazione: nella fase di terminazione invece l'RNA polimerasi riconosce dei terminatori oligonucleotidi presenti sul DNA antisenso, e termina il processo di trascrizione. Nel genoma di Escherichia coli sono state individuate due particolari sequenze che fanno da promotrici del processo trascrizionale, tali sequenze prendono il nome di sequenze consenso. Le due sequenze consenso identificate non sono altro che degli oligonucleotidi, in particolare sono gli esanucleotidi TTGACA e TATAAT, rispettivamente localizzate a 35 e 10 coppie nucleotidiche a monte del sito di avvio della trascrizione. Fasi dell’avvio della trascrizione in E. Coli: 1. Associazione a-specifica del DNA al genoma di riferimento. 2. Riconoscimento delle sequenze consenso e formazione del complesso chiuso: l'RNA polimerasi batterica riconoscendo le sequenze consenso, si pone nella regione del genoma i cui estremi sono definiti dalle sequenze stesse. La subunità sigma è quella coinvolta nel riconoscimento degli oligonucleotidi di consenso. 3. Denaturazione di una piccola porzione di DNA e formazione del complesso aperto: delle subunità ad attività elicasica dell'RNA polimerasi batterica denaturano una piccola porzione di DNA, consentendo così l'avvio del processo trascrizionale. L'RNA polimerasi ha una struttura a chela di granchio, più particolarmente sono le subunità beta che concorrono all'ancoraggio dell'enzima al DNA. 4. Avvio della trascrizione con separazione della subunità sigma: dopo che sono stati trascritti i primi 10 nucleotidi del DNA antisenso, la subunità sigma si separa dal complesso RNA polimerasi, e l'enzima polimerizzante continua indisturbato il proprio lavoro. La sequenza di termine della trascrizione è rappresentata da una serie di ripetizioni di basi C e G, con infine delle basi di adenina. Sul complementare di RNA vanno fiancheggiandosi delle basi che, su singolo filamento, istituendo un rapporto di complementarietà, determinano la formazione di un’ansa interna all’RNA che favorisce la dissociazione della RNA-polimerasi, la rinaturazione del DNA e la fine della trascrizione. DI DARIO SANTULLI Trascrizione negli eucarioti Il processo trascrizionale negli eucarioti è sicuramente un evento biologico molto più complesso rispetto a quello dei procarioti, dal momento che, soprattutto nel momento di avvio della trascrizione, non è coinvolta solamente l'RNA polimerasi ma una serie di enzimi e fattori della promozione della trascrizione che favoriscono l'associazione dell'enzima a una specifica sequenza del DNA. Inoltre non è presente un'unica RNA polimerasi, ma più tipologie: I. RNA-Polimerasi I: necessaria alla trascrizione di geni non codificanti. Necessaria per la produzione di RNA ribosiomale con indice di sedimentazione variabile. II. RNA-Polimerasi II: necessaria alla trascrizione di geni codificanti, con la produzione di mRNA. Prodotti secondari sono rappresentati da snRNA (small nuclear RNA - piccoli RNA nucleari) e snoRNA (piccoli RNA nucleolari), RNA telomerasico e microRNA. Essa presenta dalle 12 alle 17 subunità che riconosco promotori diversi per geni diversi e 9 subunità conservate con funzionalità simili alla polimerasi procariotica. III. RNA-Polimerasi III: necessaria alla trascrizione di geni non codificanti, con la produzione di snRNA, scRNA (piccoli RNA citoplasmatici), rRNA a diverso indice di sedimentazione ed alcuni tRNA. Sebbene anche nel genoma eucariotico siano presenti delle sequenze promotrici del processo trascrizionale, l'RNA polimerasi, in particolare la II, non è in grado di associarsi direttamente a tali sequenze, ma necessita della pre-associazione di specifiche proteine che non sono altro che fattori della trascrizione generici e gene-specifici. Se è vero che il prodotto genico varia a seconda della tipologia di cellule, è altrettanto vero che varia l’espressione genica, quindi anche la natura dei fattori della trascrizione altamente variabili e tessuto-specifici. Inoltre, all’interno di un singolo promotori, sono presenti specifiche sequenze geniche che si associano a fattori della regolazione, oltre che a fattori della trascrizione. I. RNA-Polimerasi I: sono state individuate delle sequenze Polimerasi I-specifiche; una è rappresentata da una sequenza di controllo 100 nt a monte del sito di avvio, ed un’altra consiste in un promotore posto immediatamente prima del sito di avvio. II. RNA-Polimerasi II: sono state individuate due sequenze di controllo Polimerasi II-specifiche, la GC- box (100 nt a monte del sito di avvio) e CAAT-box (80 nt a monte del sito); è stata individuata una particolare sequenza di promozione della trascrizione chiamata TATA-box (25nt a monte) simile all’esanucleotide TATAAT posto a 10 nt a monte del sito di avvio della trascrizione nei procarioti. Gli studi hanno dimostrato che rimuovendo selettivamente TATA box, l’efficacia trascrizionale cala drasticamente dal 100% al 38%. III. RNA-Polimerasi III: sono state identificate tre sequenze geniche di promozione della trascrizione non a monte, bensì a valle del sito di avvio della trascrizione. Sono Box-A, Box-B e Box-C. STEP 1 TRASCRIZIONE - FORMAZIONE DEL COMPLESSO DI PRE-INZIO (COMPLESSO PIC) Come affermato precedentemente, prima che l’RNA-Polimerasi II possa associarsi alla sequenza di DNA di interesse, è necessario che intervengano specifici fattori della trascrizione, che nel loro insieme compongono il complesso di pre inizio o complesso PIC. 1. Associazione del fattore TFIID: TFIID si compone di due sotto-fattori che sono il fattore TBP (TATA- Box binding protein) legante la TATA-Box e TAFs (TATA-box binding protein Associated Factors). 2. Associazione di TFIIB a TFIID: fattore proteico che, in prossimità di TATA-Box funge da ponte proteico tra TFIID (in particolare il suo sotto-fattore TBP) e l’RNA-Polimerasi II. 3. Associazione dei fattori TFIIE, TFIIF e TDIIH: nel loro insieme i fattori contribuiscono alla stabilizzazione del complesso di pre-inizio. L’associazione primaria di TFIIF consente l’annessione dell’RNA-Polimerasi II al complesso PIC. STEP 2 TRASCRIZIONE - FORMAZIONE DEL COMPLESSO MEDIATORE/PIC E FOSF. DI CTD Un complesso di oltre 20 subunità chiamato Mediatore forma un grande cappuccio in prossimità del complesso PIC, grazie all’associazione con il Dominio C-Terminale (CTD - 7 aa altamente ripetuti) non fosforilato. La fosforilazione, mediata da fattori di allungamento, di CTD di RNA-Polimerasi II stimola la dissociazione della polimerasi e l’avvio della trascrizione. La coda C-Terminale perenne fosforilata. DI DARIO SANTULLI EDITING DELL’m-RNA L'editing dell'mRNA è quel processo fisiologico tramite il quale la cellula, amplificando l’espressione genica, interviene modificando la costituzione oligonucleotidica di un filamento di mRNA, inducendo una sostituzione di una base, una sua delezione o una sua inserzione, o ancora una modificazione chimica. Un editing tessuto-specifico noto è quello a carico dell’mRNA codificante per l’apolipoproteina B. Essa viene regolarmente sintetizzata negli epatociti, per favorire il trasporto in circolo di lipidi e acidi grassi endogeni. È stato osservato che nelle cellule dell’intestino, l’mRNA codificante per la proteina subisce una mutazione missenso. La molecola di RNA anziché esibire il codone CAA, a seguito della deamminazione della citosina (citidina deamminasi), manifesta il codone di stop UAA. L’apolipoproteina B tronca risulta però funzionante, favorendo l’assorbimento dei lipidi introdotti con la dieta a livello intestinale. DEGRADAZIONE DELL’m-RNA La degradazione dell’RNA messaggero è un processo che avviene con modalità differenti e soprattutto con velocità differenti a seconda della tipologia di mRNA di cui si sta parlando. RNA codificanti per proteine prodotte in maniera non frequente, come le regolatrici, hanno un'emivita ridotta rispetto a quella di RNA codificanti per proteine ed enzimi necessari alle attività metaboliche della cellula. Prima di tutto si inizia a degradare la coda poly-A tramite un processo di deadenilazione, dopodiché specifici enzimi possono degradare la molecola finale o da un lato o da un altro, nell’ordine 5’-3’ o viceversa. Meccanismi di regolazione dell’espressione genica nei procarioti Gli studi sui meccanismi della regolazione dell'espressione genica nei procarioti si sono avviati già a partire dagli anni 50 del 1900. Le ricerche hanno testimoniato l'esistenza di particolari unità genomiche che hanno la funzione di regolare l'espressione genica: tale unità, detta operone, consiste in una serie di particolari sequenze oligonucleotidiche: - Sequenze codificanti - Geni strutturali: i geni strutturali alludono a quelle sequenze polinucleotidiche che codificano per un determinato prodotto proteico. - Sequenze regolatrici cis-agenti : a livello delle sequenze regolatrici sono presenti l’operatore ed il promotore. Il promotore è una sequenza oligonucleotidica ad elevata affinità rispetto all'RNA polimerasi procariotica. Tra il promotore ed i geni strutturali è presente l’operatore. L’operatore è quella sequenza a livello della quale, in determinate circostanze, va a legarsi una proteina repressore. Il legame dell’operatore con il repressore impedisce all’RNA-Polimerasi di associarsi con il promotore. Sono Cis- agenti in quanto regolano l’espressione di più geni su una stessa molecola. A livello dell’operone è compresa la sequenza genica codificante il repressore, cioè quel gene che per questo è chiamato repressore. Esistono due principali tipologie di operoni: - Operone inducibile: nei sistemi indicibili il substrato di una via metabolica, cioè l’induttore, interviene a livello della proteina regolatrice, il repressore, inducendone un cambiamento conformazionale che gli impedisca di associarsi all’operatore dell’operone. Ne deriva l’avvio del processo trascrizionale. Controllando spesso le vie cataboliche. - Operone reprimibile: nei sistemi reprimibili il prodotto di una via metabolica, cioè il corepressore, interagisce con il repressore, inducendone un cambiamento conformazionale che favorisca la sua associazione all’operatore, inibendo la trascrizione. Controllando spesso le vie anaboliche. La regolazione negativa consiste nell’associazione o dissociazione di un repressore. La regolazione positiva consiste nell’associazione o dissociazione di un fattore di promozione presso un gene diverso dall’operatore. DI DARIO SANTULLI ESEMPIO DI OPERONE INDUCIBILE A CONTROLLO NEGATIVO - OPERONE LAC A livello dell'operone Lac sono presenti quei geni codificanti per enzimi che i procarioti sfruttano per degradare una molecola di lattosio in due monomeri: il glucosio e il galattosio. I geni in questione sono: 1. GENE Z: è quello coinvolto nella sintesi della β-galattosidasi, enzima principale che consente la degradazione della molecola di lattosio. 2. GENE Y: codificante per l’enzima permeasi, in grado di permeabilizzare la membrana del procarioti, consentendogli di assorbire quanto più lattosio possibile dall'ambiente circostante. 3. GENE A: codificante per un enzima rispetto al quale non sono state chiarite ancora le funzioni specifiche; probabilmente si tratta di una transacetilasi. Se è presente la molecola di lattosio, il substrato della via metabolica di interesse, essa funge da induttore. In quanto tale, la molecola di lattosio è in grado di legarsi al repressore, inducendo un cambiamento conformazionale tale da impedirgli l'associazione con l’operatore e consentire la trascrizione. In caso di assenza del substrato, cioè dell’inattivatore, il repressore si lega all’operatore, bloccando la trascrizione. Nel meccanismo di regolazione positiva ad essere coinvolta è la molecola di glucosio. Normalmente, quando la concentrazione di glucosio è elevata, il batterio non ha bisogno di ulteriore energia, quindi non ha bisogno di depolimerizzare la molecola di lattosio. Al contrario, quando il glucosio scarseggia, è bene produrre gli enzimi utili all’assorbimento e alla degradazione del lattosio. Il glucosio, nel batterio, metabolizzato ad alfa- chetoglutarato, inibisce l’adenilato ciclasi, che converte l’ATP in cAMP. Quando le concentrazioni di glucosio sono basse, viene promossa la sintesi del cAMP. Il cAMP, legandosi alla proteina CAP (proteina attivvatrice del catabolita), induce l’associazione della stessa all’RNA-Polimerasi. La CAP facilita l’aggancio della polimerasi al promotore e si avvia la trascrizione. ESEMPIO DI OPERONE REPRIMIBILE - OPERONE TRP L’amminoacido triptofano è utile alla sintesi di specifiche proteine. Per poter mantenere una concentrazione citoplasmatica non eccessiva, è lo stesso triptofano, prodotto della via metabolica di riferimento, ad agire come coreppresore, bloccando la trascrizione dei geni codificanti per gli enzimi utili alla produzione dello stesso amminoacido. Quando le concentrazioni tornano ad essere basse, si riavvia la trascrizione. DI DARIO SANTULLI Meccanismi di regolazione dell’espressione genica negli eucarioti I meccanismi della regolazione dell'espressione genica nelle cellule eucariotiche riguardano specialmente l'inizio della trascrizione, cioè il momento in cui l'RNA polimerasi si associa al promotore tramite fattori della trascrizione per avviare il processo di produzione dell'acido ribonucleico. La regolazione dell'espressione genica negli eucarioti è caratterizzata da una serie di differenze che innanzitutto riguardano i vari compartimenti e le regioni cellulari nelle quali avviene la decodificazione del genoma. Una differenza sostanziale fra eucarioti e procarioti consiste nel fatto che nei primi il materiale genetico è custodito e protetto all'interno di una regione nucleare, particolarmente isolata rispetto all'ambiente citoplasmatico. Nucleo di cellule eucariotiche Per studi che hanno previsto l'impiego della microscopia elettronica, hanno consentito l'analisi più approfondita e dettagliata delle varie micro strutture che compongono la regione nucleare. Il nucleo è una struttura fondamentale sia per la separazione dell'ambiente nucleoplasmatico da quello citoplasmatico, che per la proteine del DNA. Andando dall’esterno verso l’interno, è possibile delineare la presenza di un doppio involucro nucleare, la cui porzione esterna si pone in continuità con il reticolo endoplasmatico rugoso. La parete interna dell'involucro nucleare interno è ricca di polipeptidi, le laminine, che compongono nel complesso la lamina nucleare, in prossimità della quale va a condensandosi il materiale cromatinico. All’interno del nucleoplasma è presente, in maniera omogenea, l’eucromatina ed una struttura più elettrondensa che definisce il nucleolo. Il nucleolo è la struttura nella quale si attua la sintesi dell'RNA ribosomiale a diverso indice di sedimentazione. Sebbene sia importante delimitare l'ambiente interno nucleare rispetto all'ambiente esterno, è altrettanto fondamentale consentire la comunicazione fra le due regioni cellulari, permettendo il passaggio dall'interno verso l’esterno, o viceversa, di specifiche molecole o ioni. Tale processo è mediato dai pori nucleari. La struttura del singolo poro prende la presenza di: 1. Anelli proteici delimitanti il poro: un anello è presente a livello extracellulare, e prende il nome di anello citoplasmatico dal quale si protendono dei filamenti citoplasmatici, un secondo è presente a livello dell'interzona delimitata dalla membrana nucleare interna ed esterna, e prende il nome di anello transmembrana, ed un ultimo anello che si trova a livello nucleoplasmatico, e prende il nome di anello nucleare al di sotto del quale si sviluppa la struttura del canestro nucleare. 2. Impalcatura centrale: l'impalcatura centrale rappresenta l'intelaiatura proteica transmembrana di riferimento della struttura del poro. Essa delimita il canale del poro. 3. Nucleoporine: le nucleoporine rappresentano dei particolari domini oligopeptidici che si protendono verso l'esterno, a livello del canale del poro. Le nucleoporine sono domini oligopeptidici ricchi in glicina e fenilananina. Essi fungono da filtro di passaggio. Le proteine, per poter essere indirizzate all'interno dell'ambiente nucleoplasmatico, devono presentare delle sequenze di riconoscimento a livello della catena peptididica. Tale è la sequenza NLS (Nuclear Localization Signal), riconosciuta da un complesso eterodimerico di esportina-alfa/beta, che consente la trasmigrazione del polipeptide. REGOLAZIONE DELLA TRASCRIZIONE - SEQUENZE CIS-AGENTI Una prima modalità tramite la quale gli eucarioti sono in grado di regolare il processo trascrizionale consiste nelle sequenze cis-agenti, cioè sequenze oligonucleotidiche che sono in grado di controllare più geni simultaneamente: 1. Il promoter TATA-Box: rappresenta la sequenza di avvio del processo trascrizionale, collocata circa 25 nucleotidi a monte del sito di avvio della trascrizione. 2. Sequenze di controllo prossimali: nel genoma eucariotico spesso si individuano sequenze che identificano la CAAT-Box (80nt a monte del sito di avvio della trascrizione) e la GC-box (100nt a monte), così chiamata perché ricca in citosina e guanina. 3. Sequenze enhancers o intensificatrici: sono sequenze oligonucleotidiche collocate più di 10.000 basi a monte o a valle del sito di avvio del processo trascrizionale. Le prime sono state identificate sul virus SV40. Tali sequenze sono chiamate intensificatrici, dal momento che aumentano di gran lunga il prodotto genico, che è totalmente imparagonabile a quello basale di una trascrizione che avviene senza sequenze simili. Si attua una amplificazione del prodotto proteico o enzimatico. DI DARIO SANTULLI Regolazione della trascrizione in fase di allungamento dell’mRNA Una sostanziale differenza rispetto alla regolazione dell'espressione genica rispetto agli organismi procarioti, consiste nel fatto che negli eucarioti la regolazione dell'espressione genica prosegue anche durante la trascrizione del filamento di mRNA. Normalmente il fattore TFIIH fosforilando un residuo di serina 5 sul dominio C-terminale della polimerasi, induce la trascrizione. È stato osservato però che, dopo che vengono trascritti circa 50 nt, la trascrizione si arresta per effetto dell’associazione di due fattori negativi di allungamento: NELF (Negative Elongation Factor) e DSIF (Drb Sensitivity Inducing Factor). Una chinasi, P-TEFb (Positive-Transcription Elongation Factor b) successivamente, fosforilando NELF (che si dissocia), DSIF e serina 2 dell’estremità C-Terminale della polimerasi, consente la prosecuzione della trascrizione. Regolazione della trascrizione tramite rimaneggiamento cromatinico - Epigenetica Il rimodellamento della cromatina rappresenta una delle principali modalità tramite le quali la cellula è in grado di monitorare l'espressione genica, promuovendo o inibendo il fenomeno trascrizionale. La dinamicità associata alla cromatina dipende strettamente dal riarrangiamento delle strutture nucleosomiche che compongono la fibra cromatinica del diametro di 11 nm. Le proteine istoniche sono composte da un dominio globulare, che interagisce contemporaneamente sia con gli altri istoni che con la molecola di DNA, e da una coda N-terminale particolarmente soggetta a modificazioni chimiche che prevedono l’aggiunta o la rimozione di gruppi fosfato, gruppi metilici, gruppi acetilici ed ubiquitine. Negli ultimi anni è stata avanzata l'ipotesi del codice istonico, secondo la quale l'espressione o la repressione trascrizionale di determinati geni dipende strettamente da una serie di modificazioni istoniche in dati siti amminoacidici delle code N-terminali. Tra gli enzimi che interagiscono con gli istoni, ci sono: 1. Readers (lettori): sono enzimi che hanno il ruolo di interpretare le modificazioni avvenute a livello di specifici residui delle code N-terminali degli istoni. Sulla base dell'interpretazione che viene elaborata, gli enzimi sono in grado di avviare un'attività che complessivamente promuove o inibisce l'espressione di un determinato gene. Se gli enzimi hanno un bromo dominio, legano le code istoniche acetilate, se invece possiedono un cromo dominio, legano i residui metilati. 2. Writers (scrittori): rientrano enzimi che catalizzano reazioni di fosforilazione (chinasi), metilazione (metiltransferasi - HMTs) o acetilazione (HATs). 3. Erasers (cancellatori): sono enzimi che catalizzano reazioni di de-fosforilazione (fosfatasi), de- metilazione (demetilasi - HDMTs) o de-acetilazione (deactilasi - HDACs) Acetilazione/Acetil-transferasi istoniche (HATs) e Deacetilazione/Deacetilasi istoniche (HDACs) L'acetilazione delle code N terminali degli stoni avviene solitamente su residui di lisina. - Acetilazione: riduzione delle cariche positive dell’estremità ammino terminali, riduzione interazione DNA-Core // code istoniche, decondensazione cromatinica. - Deacetilazione: aumento delle cariche positive dell’estremità ammino terminali, aumento interazione DNA-Core (ortofosfati carichi negativamente) // code istoniche, condensazione cromatinica. Si ricordi: fosforilazione istonica (su serina) induce decondensazione, metilazione (su lisina e arginina) dipende dalle circostanze. Devono essere ricordati i complessi di rimodellamento nucleosomico: proteine ATPasiche per scivolamento, trasferimento e rimodellamento. Si ricordino le proteine a doppio dominio con spostamento preferenziale e le pinze molecolari su estremità di un segmento nt. minore di 150 coppie. DI DARIO SANTULLI Cambiamenti degli schemi di metilazione La metilazione del DNA è solitamente associata alla repressione del processo trascrizionale. La reazione di metilazione, cioè di aggiunta di un gruppo metilico, è catalizzata dall'enzima DNA metiltransferasi. Il substrato dell'enzima non è rappresentato da una qualunque base azotata; quella ad essere solitamente soggetta a metilazione è una citosina immediatamente adiacente ad una guanina. La metilazione trasforma la citosina in 5-metilcitosina. Questo implica che la zona specifica in prossimità della quale interviene il catalizzatore è caratterizzata da un dinucleotide, noto con l’acronimo CpG, dove p sta ad indicare il gruppo fosfato inorganico che media l'interazione fra i due nucleotidi di riferimento. Poiché i filamenti di DNA sono antiparalleli, questo implica che in un doppio filamento con dinucleotidi CpG, la metilazione avvera sulle estremità di una diagonale che ai suoi poli individua le citosine. La reazione di rimozione di un gruppo metilico da una citosina è catalizzata dalla classe delle demetilasi. Studi più approfonditi hanno rivelato che nella DNA sono presenti regioni nelle quali è particolarmente elevata la densità di dinucleotidi CpG, zone designate con il nome di isole CpG. È stato dimostrato che circa il 60% dei geni umani contiene, all’interno o in prossimità dei loro stessi promotori della trascrizione, delle isole CpG, suggerendo che l’espressione genica è consentita quando tali isole sono demetilate ed è, al contrario, inibita quando tali isole sono metilate dalle DNA metiltransferasi. Lo schema di metilazione presente all’interno della cellula di partenza, prevede, sin dall’interfase G1, che l’aggiunta di un gruppo metilico avvenga sui poli di una diagonale che individua alle su estremità due citosine, parti integranti di due dinucleotidi complementari CpG. Al momento della replicazione del DNA, i filamenti complementari fanno da stampo per due nuove catene polinucleotidiche. I dinucleotidi neosintetizzati, complementari a quelli già metilati del filamento stampo, vengo metilati poco dopo la duplicazione del DNA da altre metiltransferasi. In questa maniera la cellula madre trasmette informazioni e schemi di metilazione analoghi alle cellule figlie. I siti CpG metilati richiamano proteine leganti il gruppo metilico come MeCP2 (methyl-CpG binding protein 2) e MBD1-4 (Methyl-CpG-binding domain protein 1). MeCP e MBD1-4 richiamano l’azione degli enzimi HDAC (Histone deacetylases) che, deacetilando le code istoniche N-terminali e aumentano la carica positiva, favoriscono una maggiore associazione del DNA con gli istoni. Metilazione (del DNA) e deacetilazione (delle code N-terminali istoniche) inibiscono la trascrizione. In un lavoro sperimentale volto alla comprensione dell’importanza delle modifiche epigenetiche, è stata esaminato il fenomeno di metilazione del DNA in bambini sottopeso nati prematuramente rispetto a bambini nati nei tempi previsti e normopeso. Lo studio ha evidenziato che i primi vanno incontro ad una ipermetilazione di promotori di geni codificanti proteine ed enzimi utili allo sviluppo delle cellule del sistema immunitario, come i macrofagi. Progredendo nello sviluppo, l’ipermetilazione viene meno.