Accessibilità del DNA come fattore di regolazione dell’espressione genica Alice Pasini C3MIG Meeting 21-04-09 Stati di impacchettamento del DNA H2A, H2B, H3, H4 Eucromatina vs Eterocromatina Cromatina svolta Cromatina condensata trascrizionalmente accessibile trascrizionalmente repressa Fattori che determinano lo stato di condensazione della cromatina: Modificazioni istoniche Metilazione del promotore Modificazioni istoniche Modificazioni istoniche post-trasduzionali: • Acetilazione • Metilazione Acetilazione Istonica L’acetilazione degli istoni destabilizza la struttura della cromatina, in parte perché l’aggiunta di un gruppo acetile neutralizza la carica positiva della lisina. Cromatina repressa HAT = Istone Acetiltransferasi HDAC = Istone Deacetilasi Cromatina attiva La metilazione del DNA figura tratta (modificata) da: Bernstein BE, Meissner A and ES Lander. Cell (2007) 128: 669–681. La metilazione delle citosine precedenti le guanine (CpG) è l’unica modifica covalente nota del DNA nei mammiferi, dove è associata alla specificità dell’espressione genica tissutale, al differenziamento, all’imprinting genomico, al silenziamento del cromosoma X, all’invecchiamento, alla carcinogenesi… La metilazione delle CpG è ereditabile figura tratta da: Alberts B, Johnson A, Lewis J et al. Biologia Molecolare della cellula (4° ed. 2004) Zanichelli; Bologna. Gli schemi di metilazione del DNA vengono ereditati fedelmente: un enzima metilante diretto da gruppi metilici (metiltransferasi di mantenimento) determina la metilazione dei filamenti neosintetizzati in corrispondenza delle sedi complementari metilate dei filamenti parentali. La metilazione come meccanismo di silenziamento genico La metilazione delle CpG del promotore di un gene favorisce il suo legame da parte proteine che legano il DNA metilato e quindi interagiscono con complessi proteici di rimodellamento della cromatina, che rendono il gene trascrizionalmente silente. figura tratta da: Alberts B, Johnson A, Lewis J et al. Biologia Molecolare della cellula (4° ed. 2004) Zanichelli; Bologna. Regolazione epigenetica Per Epigenetica si intende una qualunque attività di regolazione dei geni tramite processi chimici che non comportino cambiamenti nel codice del DNA cioè del genotipo, ma possono modificare il fenotipo dell’individuo e/o della progenie. Modificazion i Istoniche Metilazione del DNA ESPRESSIONE GENICA EPIGENETICA Fattori che rimodellano la cromatina Organizzazione della cromatina a livello di un promotore non-metilato di un gene trascrizionalmente attivo (in alto, condizioni normali) e silenziamento della trascrizione dello stesso gene – mediato dall’ipermetilazione del promotore (in basso, neoplasia). CpG non-metilata figura tratta da: Herman JG and SB Baylin. N Engl J Med (2003) 349: 2042–2054. CpG metilata Istone H3 acetilato, e metilato in lys 4 Istone H3 deacetilato, e metilato in lys 9 MGMT: O6-metilguanina DNA metiltransferasi Gene coinvolto nella riparazione del DNA. Codifica per la proteina AGT (alchilguanina-alchiltransferasi), responsabile di eliminare il legame di gruppi alchilici addizionali in posizione O6 della guanina nel DNA. Gene oncosoppressore in quanto protegge da eventi di mutagenesi, cancerogenesi, e dagli effetti citotossici degli agenti alchilanti. Ipermetilato nel glioblastoma Il Glioblastoma I tumori maligni cerebrali rappresentano circa il 2% di tutti i tumori. I gliomi rappresentano circa l'86% dei tumori cerebrali e vengono clinicamente classificati in diversi gradi, la forma più aggressiva ed invasiva è il Glioblastoma multiforme (GBM), la cui aspettativa di vita è di 9/12 mesi. Circa il 35% dei GBM ha MGMT silenziato dall’ipermetilazione delle isole CpG nel suo promotore. Glioblastoma e Poliammine E’ stato evidenziato che il Glioblastoma presenta elevati livelli di poliammine. Ruolo delle Poliammine Le poliammine sono composti organici aventi due o più gruppi amminici (-NH2); stimolano la proliferazione cellulare e svolgono un ruolo nella regolazione della sintesi del DNA e dell’espressione genica. Essendo policationi hanno elevata affinità per il DNA, che è un polianione. ODC nella sintesi delle poliammine La biosintesi e la degradazione delle poliammine e dei loro amminoacidi precursori sono strettamente regolati. Il primo enzima della via di sintesi delle poliammine è ODC (Ornitina decarbossilasi) il quale catalizza la formazione della putrescina a partire dall’ornitina. Interazione delle Poliammine con l’impacchettamento DNA-istoni Le Poliammine partecipano alla regolazione epigenetica? Obiettivo Valutare in condizioni basali e a seguito di trattamento con farmaci che interferiscono con l’assetto epigenetico e con la via di sintesi delle poliammine: lo stato di metilazione e di espressione del gene MGMT in linee cellulari di GBM; l’acetilazione degli istoni H3 e H4; Metodi Modello sperimentale: Linee cellulari di glioblastoma umano (T98G, U87MG) con diverso livello di espressione di AGT. Metodi: Rilevazione della metilazione del promotore (MSP, Methylation Specific PCR) Quantificazione relativa di tradotto (WB) Rilevazione dei marker istonici associati al promotore (ChIP, Immunoprecipitazione della cromatina) Rivelazione dello stato di metilazione del promotore Bisulfatazione MSP, Methylation Specific PCR Particolare tipo di PCR (Polymerase Chain Reaction) che utilizza in due distinte reazione di amplificazione due specifici set di primer in grado di ibridizzarsi con DNA non metilato o metilato rispettivamente PCR Un-Methylated Specific UnMet-F 93 pb UnMet-R 5' 3' Met-F MGMT sequence 81 pb PCR Methylated Specific Met-R Studio della metilazione del promotore di MGMT in condizioni basali U87MG UM M T98G UM M NL UM M C+ M Mw H2O UM M NL = Normal Lymphocytes C+ = In vitro methylated DNA 93bp UM = Unmethylated reaction M = Methylated reaction 81bp Studio in WB dell’espressione di AGT in condizioni basali con diversi tamponi di lisi Mw 22 kDa AGT 43 kDa β-Actina T98 ____________________ SDS Chet HCl U87 ____________________ SDS Chet HCl Trattamento farmacologico con DFMO della linea T98 DFMO, inibitore del I° enzima della via di sintesi delle poliammine Concentrazioni utilizzate 0.5-1-2mM per 16-24 ore Standardization DFMO 0.5-1-2mM 16-24h 3 % Control 2,5 2 acH4 1,5 acH3 1 MGMT 0,5 0 T98 cntr 0.5mM 16h 1mM 16h 2mM 16h 0.5mM 24h 1mM 24h 2mM 24h Il trattamento con DFMO causa un aumento dell’acetlilazione istonica accompagnato da un aumento dell’espressione di MGMT Trattamento farmacologico con TSA della linea T98 TSA, inibitore delle istone deacetilasi (HDACs). Concentrazioni utilizzate 0.2-0.4μM per 2-4-8-16-24 ore Standardization TSA T98 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 T98 acH4% T98 acH3% T98 MGMT% cntr 2h 4h 8h 0.2μM 16h 24h cntr 2h 4h 8h 16h 24h 0.4μM Il trattamento con TSA causa un aumento dell’acetlilazione istonica con picco alle 4-8 ore non accompagnato da un aumento dell’espressione di MGMT, quindi non basta solo inibibire le HDACs per favorire l’espressione. Conclusioni È evidente l’importanza del ruolo svolto dallo stato d’impacchettamento della cromatina nella regolazione dell’espressione genica. L’inibizione della via di sintesi delle poliammine è un elemento in grado di intervenire sullo stato di acetilazione degli istoni e di produrre quindi un concomitante aumento dell’espressione di un gene regolato epigeneticamente. La comprensione del codice “epigenetico” ha un grande potenziale in termini farmacologici. Prospettive future ChIP Indagine dei marker istonici associati al promotore di MGMT (ChIP) in condizioni basali e a seguito di trattamenti farmacologici con DFMO. Prove di sinergie tra DFMO e farmaci demetilanti. Prove di citotossicità dei farmaci utilizzati. MGMT Figura tratta da: Esteller M and Herman JG. Oncogene (2004) 23: 1-8. Amplificazione del DNA: Reazione a catena della polimerasi, PCR Elettroforesi su gel Migrazione di particelle cariche in soluzione attraverso una matrice sotto l’influenza di un campo elettrico 1 Gel visualizzato ai raggi UV 2 3 SDS-PAGE & western blotting