Ve GIORNATE ITALIANE MEDICHE DELL’AMBIENTE
Arezzo, 17-19 Settembre 2010
Effetti neurologici di
esposizioni ambientali
Lucia Migliore
Dipartimento di Scienze dell’Uomo
e dell’Ambiente
Facoltà di Medicina e Chirurgia
Università di Pisa
l.migliore@geog
[email protected].
unipi.it
Epigenetica
L’anello mancante tra
la genetica e l’ambiente
Un po’ di cronologia
A metà degli anni ’80, si notò che nei topi l’eredità di
materiale genetico sia materno sia paterno era
indispensabile per uno sviluppo normale. Gli
esperimenti hanno anche rivelato che le anomalie
risultanti differivano a seconda che il materiale
genetico fosse tutto di origine paterna o materna.
Negli stessi anni si osservò che l’effetto di alcuni
transgeni nel topo differiva se la trasmissione era da
parte del maschio o della femmina. Il primo esempio
di gene imprinted scoperto fu il gene IGF-2, nel topo,
nel 1991, ed a tutt’oggi circa una cinquantina di geni
imprinted sono stati identificati nel topo e nell’uomo.
Imprinting: perché abbiamo
bisogno di un padre e di una madre
L’imprinting è un fenomeno
epigenetico e REVERSIBILE
Hartwell et al.,
GENETICA,
Ed. McGraw Hill, 2004
Sindrome di Angelman
15q11-q13del
Cromosoma materno
Bassa statura
Ritardo mentale grave
Spasticità
Facies tipica
Sindrome di Prader-Willy
15q11-q13
Cromosoma paterno
Obesità
Mani e piedi piccoli
Bassa statura
Ipogonadismo
Ritardo mentale
Geni nella regione della sindrome di
Prader Willi/Angelman
(15q11.2-q13)
Read & Donnai, Genetica Clinica, Ed. Zanichelli, 2007
Sindrome di Angelman (AS).
Circa il 70% dei casi è il risultato di delezioni materne de
novo (15q11.2-q13)
Circa il 2% è il risultato di disomia uniparentale paterna
(15q11.2-q13)
Dal 2 al 3% sono il risultato di difetti dell’imprinting.
Il rimanente 5-7% è causato da mutazioni nel gene che
codifica per l’ ubiquitina-proteina ligasi E3A (UBE3A)
Cause sconosciute (test diagnostici negativi: FISH,
metilazione, analisi mutazionale UBE3A)
Sindrome di Prader Willi (PW).
Circa il 70% dei casi è il risultato di delezioni
paterne de novo (15q11.2-q13)
Circa il 20-25% è il risultato di disomia
uniparentale materna (15q11.2-q13)
Dal 3 al 5% sono il risultato di difetti
dell’imprinting.
Altre anomalie cromosomiche (traslocazioni o
altri riarrangiamenti del 15): 2%
Sindrome di Silver-Russell
Ritardo di crescita pre e post-natale
Viso piccolo, triangolare
Asimmetrie scheletriche
Macchie cutanee
Anomalie genitali
Sindattilia e/o brachidattilia
Ritardo psicomotorio
Sindrome di
Silver-Russell
7p11-p13
7q31-qter
11p15
….
Eterogeneità genica
Sindrome di Beckwith-Wiedemann
Sporadica
Rari casi familiari
Eccesso di crescita prenatale
Macroglossia, onfalocele, visceromegalia,
angiomi multipli, emipertrofia,
Ipoglicemia neonatale
Aumentata incidenza di tumori infantili (t.Wilms)
Imprinting alterato per geni regolatori della
crescita (regione 11p15 incluso IGF-2)
Beckwith-Wiedemann Syndrome
Il gene Igf2 codifica per un ormone che stimola la crescita
durante lo sviluppo embrionale e fetale.
Normalmente la copia materna del gene è metilata,
ma mutazioni od epimutazioni (mancanza di metilazione)
possono riattivarla, con il risultato di due copie attive del
gene.
L’attivazione dell’allele materno di IgF2 durante la
formazione dell’uovo o durante le fasi precoci dello
sviluppo causa BWS.
Un aspetto comune a tutti i bambini con BWS è il peso
alla nascita aumentato (>95% della media).
11p15
GENOMIC IMPRINTING E FIV
BWS: incidenza alla nascita: 1/15.000
Tuttavia, in seguito a tecniche di
riproduzione assistita (ART), incremento
(1/4000).
Si ritiene che le ART possano aumentare
la frequenza di errori di imprinting..
Sindrome ICF (Immunodeficienza, instabilità
Centromerica, anomalie Facciali)
Disordine immunologico raro
Causato da mutazioni nel gene
della DNA citosina-5-metiltransferasi
3 beta (DNMT 3B) (20q11.2)
La DNMT3B agisce metilando de novo il DNA,
piuttosto che nel mantenimento della
metilazione. La proteina è localizzata nel nucleo,
la sua espressione è regolata nel corso dello
sviluppo.
DNA metil transferasi (Dnmt)
Dnmt1 mantenimento metilazione nella
replicazione e riparazione (preferenza per
substrati emimetilati)
Dnmt2 DNA-RNA metilasi (de novo metil
transferasi?)
Dnmt3 de novo metiltransferasi (Dnmt3a,
Dnmt3b, + fattore di regolazione Dnmt3Like protein (Dnmt3L)
..a proposito di
Dnmt3…
Larve di api regine: le regine
vengono fatte crescere in celle
speciali, dette : celle della regina,
riempite di “pappa reale”
Effetto della royal jelly
A Be
La pappa reale è una sostanza complessa, ricca di proteine,
secreta da ghiandole delle api operaie. Una larva destinata a
diventare regina è nutrita con elevate quantità di pappa reale, in
una cella speciale, detta cella della regina.
Le larve che si svilupperanno in operaie o regine sono geneticamente
identiche. Ma come risultato della dieta a base di pappa reale, la regina
svilupperà ovari funzionali ed un addome più ampio per contenere le
uova, mentre le api operaie rimangono sterili. L’ape regina svilupperà
anche il comportamento tipico (uccisione delle regine rivali, suoni
comunicativi quali il "piping," e partecipazione ai “voli nunziali”.
La regina è nutrita esclusivamente con pappa reale per tutta la vita.
E’ stato dimostrato che la pappa reale silenzia Dnmt3, che codifica
per un enzima coinvolto nel silenziamento generale di tutto il genoma.
Quando Dnmt3 è attivo nella larva di ape, i geni che caratterizzano la
regina sono epigeneticamente silenziati e la larva si svilupperà in ape
operaia. Ma quando la pappa reale silenzia Dnmt3, alcuni geni si
attivano per far diventare la larva regina.
Significato funzionale della metilazione
del DNA
in disordini neurologici e psichiatrici:
l’alterato processo di metilazione del
DNA sembra
contribuire direttamente a specifiche
patologie:
Sindrome di Rett, autismo, ADHD, AD…
La sindrome di Rett è stata descritta per
la prima volta nel 1966 da Andreas Rett,
che aveva osservato un comportamento
insolito, tragico e affascinante insieme,
in alcune bambine sedute nella sala
d'aspetto del suo studio. La sindrome di
Rett è un raro ma grave e debilitante
disordine progressivo dello sviluppo
neurologico, che si manifesta nella prima
infanzia e colpisce quasi esclusivamente
le bambine.
E’ una malattia genetica X-linked
dominante ed ha un’ incidenza media
stimata di 1:10.000 / 15.000 bambine
nate. E’ la seconda causa, dopo la
sindrome di Down, di ritardo mentale
femminile ed è spesso erroneamente
diagnosticata come autismo o un non
specificato ritardo dello sviluppo.
È causata da una mutazione del gene
della metil-CpG binding protein 2
(MECP2 ) nella maggior parte dei casi.
Sintomi della sindrome di Rett classica
La sindrome di Rett classica è caratterizzata da uno
sviluppo psicomotorio apparentemente normale
durante i primi 6 - 18 mesi di vita, seguito da un breve
periodo di stasi dello sviluppo, quindi rapida
regressione nel linguaggio e nelle abilità motorie,
seguiti da un lungo periodo di stabilità clinica. Durante
la fase di rapida regressione, compaiono movimenti
ripetitivi e stereotipati i delle mani, che sostituiscono
l'utilizzo finalizzato della mano. Altri sintomi possono
comprendere attacchi di urla e pianto inconsolabile,
tratti autistici, bruxismo, apnea episodica e / o
iperpnea, deambulazione atassica e aprassia, tremori,
convulsioni e microcefalia acquisita.
MECP2
Il gene MECP2 si trova su Xq28
è costituito da 4 esoni
e codifica per una proteina
nota come MECP2 o
“metil-CpG binding protein 2”.
La proteina MECP2 è un repressore
trascrizionale, ovvero una proteina che
impedisce ad alcuni geni specifici di essere
espressi. Come tutti i repressori trascrizionali,
anche MECP2 possiede un dominio capace di
legare il DNA ed un altro capace di spegnere
l’attività dei geni bersaglio.
Il ruolo di MECP2 nello sviluppo dei neuroni
Il classico decorso della malattia, con esordio
dei sintomi dopo il 6° mese, fanno ipotizzare che
la proteina MECP2 intervenga in fasi più avanzate
della maturazione del sistema nervoso.
I livelli di MECP2 sono normalmente molto bassi
nei giovani neuroni mentre aumentano
drammaticamente via via che i neuroni maturano
per mantenersi alti per tutta la vita dell’individuo
adulto.
MECP2 è fondamentale per lo sviluppo postnatale
nei neuroni delle arborizzazioni e delle spine
dendritiche, per instaurare la fitta rete sinaptica
neuronale.
L’analisi condotta su tessuti cerebrali di bambine
Rett dimostra come le loro cellule corticali,
soprattutto della corteccia motoria e prefrontale,
siano più piccole, compatte e meno arborizzate di
quelle riscontrate in individui di controllo.
Nel loro insieme questi studi suggeriscono come
MECP2 sia cruciale per la capacità dei neuroni di
rispondere agli stimoli e come un suo
malfunzionamento porti a difetti nella
maturazione neuronale e nella sinaptogenesi, con
una distribuzione temporale e tissutale specifica.
MECP2 come regolatore dell’espressione genica
MECP2 è stata originariamente scoperta in quanto capace di spegnere
l’espressione di geni metilati.
Se MECP2 è mutata e non sa più legarsi al DNA, il gene non sarà più spento.
Si sta cercando di identificare quali e quanti geni siano i
target dell’attività di MECP2 e siano quindi disregolati
nella sindrome, ed i meccanismi molecolari usati da
MECP2 per spegnerli.
…uno dei geni
finora identificati è il BDNF.
Il BDNF (Brain Derived Neurotrophic Factor):
BDNF codifica per una neurotrofina importante per
la sopravvivenza e per lo sviluppo neuronale durante
la crescita, per la modulazione delle connessioni
sinaptiche, della comunicazione cellulare e per la
plasticità neuronale.
Non appena il neurone viene eccitato,
Normalmente, in un neurone
non stimolato, MECP2 è legato
al DNA promotore di BDNF e
ne blocca l’espressione.
in seguito a depolarizzazione di
membrana, MECP2 viene fosforilato, si
stacca dal gene BDNF che quindi può
essere trascritto.
MeCP2, implicata nella sindrome di Rett,
regolerebbe epigeneticamente anche la
risposta a psicostimolanti (studi su
roditori)
Feng & Nestler Nature Neuroscience 13, 1039 - 1041 (2010)
ADHD
Studi su animali dimostrano chiaramente
un’associazione tra esposizione a tossine, stress
materno e malnutrizione in gravidanza ed una
serie di modificazioni neurochimiche e
comportamentali confrontabili con l’ADHD
nell’uomo
Esempi di fattori specifici associati con deficit
tipo ADHD sono l’esposizione prenatale a
nicotina, alcohol e droghe ed esposizione
neonatale a tossine quali PCB, organofosfati
esaclorobenzene, glucocorticoidi, ed
anche stress e dieta carente in gravidanza.
Mill and Petronis, J of Child Psychology and Psychiatry 49:10 (2008), pp 1020–
1030; Nigg et al.,Journal of the American Academy of Child & Adolescent
Psychiatry 49, 9, September 2010, Pages 863-873
Esposizioni ambientali in certi periodi dello sviluppo potrebbero
avere importanti effetti patogenetici a lungo termine, mediati da
processi epigenetici come la metilazione del DNA.
Influenze quali la disponibilità di donatori di gruppi metilici
nella dieta sarebbero molto importanti durante l’embriogenesi
e nell’immediato periodo post-natale, quando il tasso di sintesi
del DNA è alto ed i marcatori epigenetici necessari per il normale
sviluppo dei tessuti sono stati già stabiliti.
In queste fasi i cambiamenti epigenetici indotti dall’ambiente sono
verosimilmente propagati con la mitosi portando a cambiamenti
a lungo termine dell’espressione genica e del fenotipo e
potenzialmente aumentando la suscettibilità a disordini come
l’ADHD dopo la nascita.
Con il tempo, quando i pattern epigenetici sono già stati stabiliti,
ed il tasso di sintesi del DNA è molto più basso, i fattori ambientali
avrebbero molto meno peso sulle modificazioni epigenetiche.
Mill and Petronis, 2008
AUTISMO (ADS: autism spectrum
disorders)
Molte sindromi genetiche presentano comorbidità con
l’autismo (Rett, X Fragile, Prader-Willi, Angelman..), .
Tutte dimostrano deregolazione del pattern epigenetico
di specifici geni o meccanismi epigenetici.
Sono state riportati anche geni o regioni cromosomiche
con regolazione epigenetica anomala in associazione con
forme sindromiche (dup materna 15q11-13) o anche non
sindromiche.
Esposizioni a rischio identificate: ac.valproico, ART.
Grafodatskaya et al., Am Acad Child Adolesc Psychiatry. 2010 Aug;49(8):794-809.
Epigenetica ed effetti transgenerazionali
L’esposizione ad agenti ambientali nel corso dello
sviluppo embrionale influenza la suscettibilità alle
malattie nella generazione successiva
- metalli pesanti (cancro)
- alterazioni della dieta (diabete & difetti utero)
- esposizione chimica B(a)P (difetti neurologici ed
endocrini)
- esposizione a endocrine disruptors (difetti riproduttivi ed
endocrini)
Jirtle & Skinner NatRevGenetics, 2007
La somministrazione in gravidanza di donatori di gruppi
metilici interferisce con il fenotipo della progenie
metilando l’epigenoma
Waterland, R. A. & Jirtle, R. L. Transposable elements: targets for early nutritional effects on epigenetic
generegulation. Mol. Cell. Biol. 23, 5293–5300 (2003).
Three generations at once are exposed to the same environmental
conditions (diet, toxins, hormones, etc.)
Dining for your descendants
Your grandchildren are what you
eat
Importanza della dieta prenatale…
Una dieta povera di folati e
vitamina B12 è stata correlata
ad alterazioni dello sviluppo del
SNC e a diverse patologie
psichiatriche, inclusi disturbi
comportamentali
nell’infanzia
(Reynolds, 2006).
Migliore & Coppedè : “The Impact of Genetic
and Environmental Factors in
Neurodegeneration: Emerging Role of
Epigenetics” In Epigenetics and Human
Health. Ed. by Alexander Haslberger
Copyright © 2010 WILEY-VCH
Cambiamenti epigenetici indotti dall’ambiente e variabilità fenotipica interindividuale
per il comportamento e la suscettibilità alle malattie. Szif Toxicol Sci. 2007 Nov;100(1):7-23
Epigenetic effects of maternal care
Maternal licking/
grooming
Low
maternal care
“Off”
High ERa
methylation
Low oestrogen
sensitivity
High
maternal care
“On”
Low ERa
methylation
“Primed”
maternal brain
Studies of maternal behaviour in the rat suggest that mothering is transmitted ‘epigenetically’ from mother to
daughter through levels of methylation of the Era (Estrogen Receptor alfa) gene promotor.
Champagne FA.Neuroendocrinol. 2009 Oct;21(10):867-8. Epub 2009 Jul 21.
Nurturing nature: social experiences and the brain.
Epigenetic consequences of social
Experiences across the lifespan.
Emerging evidence suggests that
prenatalenvironmental exposures,
postnatal mother–infant
interactions,juvenile social rearing,
and adult social stress can alter
epigenetic processes such as DNA
methylation(red circles) and
histone acetylation (green circles)/
methylation with long term consequences
for gene expression, physiology, and behavior.
Champagne FA Dev Psychobiol 52: 299–311, 2010.
88th Annual Conference of the Association for Nervous and
Mental Diseases (December 5, 2008, New York Academy
of Medicine)
“epigenetics and epigenomic medicine as a “new science” of
brain and behavior relationships
This new discipline has begun to revolutionize our
understanding of nervous system development in many
specific areas, including neural stem cell biology, fate
decisions, and cell diversity and connectivity; learning and
memory; neuronal and neural network homeostasis;
plasticity and stress responses; the pathogenesis of
neuropsychiatric diseases and novel therapeutic
interventions involving dynamic cellular reprogramming;
reorganization of synaptic and neural network
connections; and remodeling of the brain parenchyma and
its systemic connections to promote restoration of higherorder cognitive, behavioral, and sensorimotor functions.
Alterazioni dello sviluppo neuropsichico e patologie
neurodegenerative
Fattori genetici, ambientali ed epigenetici nella
malattia di Alzheimer - Fabio Coppedè
(Università di Pisa)
La pandemia silenziosa: metalli pesanti, solventi,
PCB e danni neurologici - Antonella Litta (ISDE
Italia)
Genetica ed Epigenetica delle Epilessie - Amedeo
Bianchi (U.O. Neurologia ASL 8 di Arezzo)
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