L’epigenetica è lo studio di come i fattori ambientali e le esperienze influenzano l’espressione dei geni, senza alterare il DNA stesso, questo fenomeno è molto diffuso nel regno vegetale, dove le piante possono trasmettere ai loro discendenti dei segnali chimici che regolano l’attività genica. Un gruppo di ricercatori ha recentemente pubblicato una scoperta che ha aperto nuove prospettive per la sicurezza alimentare, l’agricoltura sostenibile e la conservazione della biodiversità.
Quando con l’epigenetica parliamo dell’ereditarietà, questa non è solo una questione di trasferimento del DNA da una generazione all’altra, ma anche di trasmissione di meccanismi che modificano la struttura e la funzione del DNA in base alle condizioni esterne. Questi meccanismi sono chiamati epigenetici e sono principalmente la metilazione del DNA, le modificazioni post-traduzionali degli istoni e i piccoli RNA non codificanti.
Questi meccanismi interagiscono tra loro e con altri fattori trascrizionali per stabilire uno stato cromatinico che può essere attivo, repressivo o intermedio, e questo, lo stato cromatinico, può essere ereditato dalle cellule figlie durante la divisione cellulare, ma può anche essere modificato in risposta a segnali interni o esterni.
Con l’epigenetica, si studia la metilazione del DNA che consiste nell’aggiunta di un gruppo metile alla citosina, una delle quattro basi azotate che compongono il DNA. La metilazione del DNA è catalizzata da enzimi chiamati metiltransferasi del DNA, che possono riconoscere specifiche sequenze di DNA o essere guidate da piccoli RNA non codificanti.
La metilazione del DNA è generalmente associata a una repressione dell’espressione genica, in quanto impedisce il legame di fattori trascrizionali al DNA o recluta proteine che inducono uno stato cromatinico inaccessibile inoltre questa è particolarmente diffusa nelle piante, dove coinvolge sia le regioni simmetriche (CG e CHG, dove H è una base diversa da G) che le regioni asimmetriche (CHH) del DNA.
Cos’altro siamo stati in grado di scoprire grazie all’epigenetica
L’epigenetica ci ricorda inoltre che la metilazione del DNA può essere mantenuta durante la replicazione del DNA grazie a enzimi chiamati metiltransferasi di mantenimento, che copiano il pattern di metilazione dal filamento parentale al filamento figlio, inoltre questo processo può anche essere rimosso da enzimi chiamati demetilasi del DNA, che possono agire direttamente sul gruppo metile o attraverso un processo di riparazione del DNA.
Le modificazioni post-traduzionali degli istoni consistono nell’aggiunta o nella rimozione di gruppi chimici alle code degli istoni, le proteine che formano il nucleosoma, l’unità base della cromatina. Le modificazioni degli istoni sono catalizzate da enzimi chiamati istone-modificanti, che possono riconoscere specifiche sequenze di DNA o essere guidati da piccoli RNA non codificanti, inoltre possono influenzare l’interazione tra il DNA e gli istoni, la compattazione della cromatina e il reclutamento di altri fattori trascrizionali.
Le principali modificazioni degli istoni sono l’acetilazione, la metilazione, la fosforilazione, l’ubiquitinazione e la sumoilazione.
Sempre grazie all’epigenetica, sappiamo che queste modificazioni possono avere effetti attivatori o repressivi sull’espressione genica, a seconda della posizione e del tipo di modifica. Le modificazioni degli istoni possono essere mantenute durante la replicazione del DNA grazie a enzimi chiamati istone-chaperonnes, che trasferiscono gli istoni modificati dal filamento parentale al filamento figlio, mentre invece al contrario di come abbiamo detto poco sopra, le modificazioni degli istoni possono anche essere rimosse da enzimi chiamati istone-demodificanti, che agiscono in modo opposto agli istone-modificanti.
I piccoli RNA non codificanti sono molecole di RNA di lunghezza inferiore a 200 nucleotidi, che non vengono tradotte in proteine, ma svolgono funzioni regolatorie a livello del DNA o dell’RNA. I principali tipi di piccoli RNA non codificanti nelle piante sono i microRNA (miRNA) e i piccoli RNA interferenti (siRNA), mentre i miRNA sono trascritti da geni specifici e hanno una sequenza complementare a quella di uno o più mRNA bersaglio, che possono degradare o inibire la loro traduzione.
L’epigenetica ci ricorda inoltre che i siRNA sono generati da regioni di DNA ripetute o trasponibili, da trascritti antisensi o da RNA virali, e hanno una sequenza complementare a quella di una regione di DNA o di RNA bersaglio, che possono metilare o tagliare. I piccoli RNA non codificanti sono coinvolti in vari processi epigenetici, come la metilazione del DNA, le modificazioni degli istoni e il silenziamento genico. I piccoli RNA non codificanti possono essere ereditati dalle cellule figlie durante la divisione cellulare, ma possono anche essere trasferiti tra cellule diverse o tra organismi diversi.
L’epigenetica vegetale ha molte applicazioni pratiche, come la produzione di piante transgeniche, la selezione di piante resistenti a stress biotici o abiotici, la conservazione della biodiversità vegetale e la comprensione dei meccanismi evolutivi delle piante. L’epigenetica vegetale è anche un campo di studio molto interessante dal punto di vista scientifico, in quanto offre nuove prospettive per esplorare le interazioni tra genetica e ambiente, tra stabilità e variabilità, tra ereditarietà e adattamento.
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