Il cibo che ti modella: come la dieta può cambiare il tuo epigenoma Understand article

Tradotto da Valeria Soro. Sei ciò che mangi – quasi letteralmente. La nostra dieta può influenzare i piccoli cambiamenti nel nostro genoma che sono alla base di diverse malattie, compreso cancro e obesità.

L’elica del DNA
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concessione di mstroeck /
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Quando ti guardi allo specchio ti potresti domandare: ‘Come mai, dato che tutte le cellule del mio corpo hanno lo stesso DNA, i miei organi possono sembrare così diversi e funzionare in modo diverso?’ Con i recenti progressi in epigenetica, stiamo cominciando a capire. Ora sappiamo che le cellule usano il loro materiale genetico in diversi modi: i geni vengono accesi e spenti, determinando un sorprendente livello di differenziazione all’interno del nostro corpo.

L’ epigenetica descrive i processi cellulari che determinano se un certo gene viene trascritto e tradotto nella sua proteina corrispondente. Il messaggio può essere trasmesso attraverso piccoli e reversibili modificazioni chimiche in cromatina (figura 1). Ad esempio, l’aggiunta di gruppi acetilici (acetilazione) alla impalcatura proteica del DNA (istoni) migliora la trascrizione. Al contrario, l’aggiunta di gruppi metilici (metilazione) in alcune regioni regolatrici dello stesso DNA riduce la trascrizione del gene. Queste modificazioni, insieme ad altri meccanismi regolatori, sono particolarmente importanti durante lo sviluppo – quando il momento esatto di attivazione del gene è fondamentale per garantire una accurata differenziazione cellulare – ma continuano ad avere un effetto in età adulta.

Modificazioni epigenetiche possono verificarsi in risposta a stimoli ambientali, tra cui uno dei più importanti è la dieta. I meccanismi attraverso cui la dieta influenza l’ epigenetica non sono pienamente compresi, ma alcuni chiari esempi sono ben noti.

Clicca sull’immagine per
ingrandirla. Figura 1: I
cambiamenti epigenetici
della struttura della
cromatina coinvolgono
principalmente l’acetilazione
degli istoni – che migliora
la trascrizione – e la
metilazione del DNA, in cui
i gruppi metilici sono legati
covalentemente alla citosina,
rendendo la struttura della
cromatina meno accessibile.
Questi cambiamenti sono
reversibili, permettendo
all’attività genica di adattarsi
alle mutate condizioni o
segnali ambientali. 

This image was updated on the
13 May 2014. Immagine per
gentile concessione di Cristina
Florean

Durante l’inverno del 1944-1945, i Paesi Bassi subirono una terribile carestia a seguito dell’occupazione tedesca, e l’apporto nutrizionale della popolazione diminuì a meno di 1000 calorie al giorno. Le donne continuarono a concepire e a partorire durante questi momenti difficili, e questi bambini sono diventati adulti e sono adesso sulla sessantina. Recenti studi hanno rivelato che questi individui – esposti a restrizioni caloriche mentre erano nell’utero della madre – hanno un più alto tasso di condizioni croniche come il diabete, malattie cardiovascolari e obesità rispetto ai loro fratelli. I primi mesi di gravidanza sembrano aver avuto il più grande effetto sul rischio di malattia.

Come può qualcosa che è accaduto prima che tu nascessi influenzare la tua vita così tanto fino a 60 anni dopo? La risposta sembra risiedere negli adattamenti epigenetici fatti dal feto in risposta al limitato apporto di nutrienti.

Le esatte alterazioni epigenetiche non sono ancora chiare, ma fu scoperto che le persone che sono state esposte alla carestia in utero presentano un minor grado di metilazione di un gene implicato nel metabolismo dell’insulina (il fattore di crescita insulino-simile di tipo II) rispetto ai loro fratelli non esposti (Heijmans et al., 2008). Questo ha alcune sorprendenti implicazioni: nonostante i cambiamenti epigenetici siano in teoria reversibili, cambiamenti funzionali che avvengono durante lo sviluppo embrionale possono comunque persistere nella vita adulta, anche quando non sono più utili e potrebbero anche essere dannosi. Alcuni di questi cambiamenti possono anche persistere attraverso le generazioni, colpendo i nipoti delle donne esposte (Painter et al., 2008).

Figura 2: Due larve dell’ ape
regina galleggianti nella
pappa reale nella loro cella
regina. Le larve regina sono
alimentate esclusivamente
con pappa reale, che innesca
lo sviluppo del fenotipo
regina, consentendo la
riproduzione. 

Immagine per gentile
concessione di Waugsberg /
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Gli effetti della dieta iniziale nella fase epigenetica sono chiaramente visibili tra le api. Ciò che differenzia le api operaie sterili dalla regina fertile non dipende dalla genetica, ma dalla dieta che seguono come larve (figura 2). Le larve designate a diventare regine sono alimentate esclusivamente con pappa reale, una sostanza secreta dalle api operaie, che accende il gene promotore che determina la fertilità dell’ape.

Un altro esempio lampante di come la nutrizione influenza l’ epigenetica durante lo sviluppo si trova nei topi. Gli individui con un gene agouti attivo hanno un mantello giallo e una propensione a diventare obesi. Questo gene, tuttavia, può essere disattivato attraverso la metilazione del DNA. Se un topo agouti in gravidanza riceve integratori alimentari che possono rilasciare i gruppi metilici – come l’acido folico o la colina – i geni agouti dei cuccioli diventano metilati e quindi inattivi. Questi cuccioli sono portatori del gene agouti, ma perdono il fenotipo agouti: hanno un mantello marrone e nessun aumentata tendenza all’obesità (figura 3).

Clicca sull’immagine per
ingrandirla. Figura 3: Il
modelldel topo agouti. Il
fenotipo dipende dalla dieta
della madre durante la
gravidanza. A: Normalmente,
il gene agouti è associato al
pelo giallo e a una tendenza
verso l’obesità. B: I topi nati
da una madre che riceve
integratori alimentari con
donatori di gruppi metilici,
tuttavia, hanno un gene
agouti metilato e quindi
inattivato, risultando in un
fenotipo con mantello-
marrone, sottile.

Immagine per gentile
concessione di Cristina Florean

Un insufficiente assorbimento di acido folico è anche implicato in alcune condizioni dello sviluppo negli esseri umani, come la spina bifida e altri difetti del tubo neurale. Per evitare tali problemi, supplementi di acido folico sono ampiamente raccomandati per le donne incinta e per coloro che sperano di concepire (vedi Hayes et al., 2009).

Che dire per quanto riguarda l’effetto della dieta sulla epigenetica nella vita adulta? Molti componenti alimentari hanno la potenzialità di causare cambiamenti epigenetici nell’uomo. Ad esempio, i broccoli e altre verdure crocifere contengono isotiocianati, che sono in grado di aumentare l’acetilazione degli istoni. La soia, d’altra parte, è fonte di genisteina, un isoflavone, che si pensa possa diminuire la metilazione del DNA in alcuni geni. Il composto del polifenolo, trovato nel tè verde, epigallocatechina-3- gallato, ha molte attività biologiche, tra cui l’inibizione della metilazione del DNA. La curcumina, un composto presente nel curcuma (Curcuma longa), può avere più effetti sull’ attivazione del gene, perché inibisce la metilazione del DNA, ma anche modula l’acetilazione degli istoni. La figura 4 mostra ulteriori esempi di molecole epigeneticamente attive.

Mercato della frutta in
Spagna 

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concessione di Marcel Theisen
/ Wikimedia Commons

La maggior parte dei dati raccolti finora su questi composti derivano da esperimenti in vitro. Le molecole purificate sono state testate su linee cellulari, e i loro effetti sono stati misurati su bersagli epigenetici. Resta da dimostrare se mangiare gli alimenti corrispondenti ha lo stesso considerevole effetto come si è visto nei modelli cellulari (Gerhauser, 2013).

Gli studi epidemiologici, tuttavia, suggeriscono che le popolazioni che consumano grandi quantità di alcuni di questi alimenti sembrano essere meno inclini a determinate malattie (Siddiqui et al., 2007). Tuttavia, la maggior parte di questi composti non solo hanno effetti epigenetici, ma colpiscono anche altre funzioni biologiche. Un alimento può contenere molte differenti molecole biologicamente attive, rendendo difficile trarre una correlazione diretta tra l’attività epigenetica e l’effetto complessivo sul corpo. Infine, tutti gli alimenti subiscono molte trasformazioni nel nostro apparato digerente, quindi non è chiaro quanto dei composti attivi effettivamente raggiungano i loro bersagli molecolari.

Come risultato dei loro effetti a lungo termine, i cambiamenti epigenetici sono coinvolti nello sviluppo di molte malattie, compresi alcuni tumori e malattie neurologiche. Come le cellule diventano maligne, o cancerogene, modificazioni epigenetiche possono disattivare i geni oncosoppressori, che impediscono un’eccessiva proliferazione cellulare (Esteller, 2007). Poiché tali modifiche epigenetiche sono reversibili, c’è grande interesse a trovare le molecole – da fonti soprattutto alimentari – che potrebbero annullare questi cambiamenti dannosi e prevenire lo sviluppo del tumore.

Sappiamo tutti che una dieta ricca di frutta e verdura è salutare per la nostra vita di tutti i giorni, ma sta diventando sempre più chiaro che potrebbe essere molto più importante di questo, in quanto può avere implicazioni significative per la nostra salute e la speranza di una vita a lungo termine.

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References

 

Resources

Author(s)

Cristina Florean ha ricevuto il suo dottorato in scienze biomediche dalle università di Padova e di Bordeaux. Durante i suoi studi di dottorato ha lavorato sulla malattia dell’Alzheimer e sullo screening di ottimizzazione dei farmaci. Ha trascorso un anno presso l’Università di Udine dove ha lavorato sul cancro e sugli enzimi epigenetici, e ora lavora a Lussemburgo presso il Laboratorio di Biologia Molecolare e Cellulare del Cancro (Laboratoire de Biologie Moléculaire et Cellulaire du Cancer) come borsista post-dottorato. I suoi interessi di ricerca attuali sono i composti naturali che mostrano l’attività epigenetica come farmaci candidati anti-cancro e gli eventi epigenetici legati alla cancerogenesi.


Review

Questo articolo stabilisce un legame tra la dieta durante la gravidanza e I cambiamenti nell’espressione dei geni causati dai meccanismi di acetilazione degli istoni (che migliorano la trascrizione) e la metilazione (che riduce la trascrizione). Utilizzando esempi in esseri umani, topi e api, l’articolo dimostra che la mancanza di alcuni nutrienti può influenzare lo sviluppo di certe caratteristiche nei bambini. Si occupa anche di effetti dietetici su epigenetica nella vita adulta, elencando una serie di alimenti che sono noti per avere un’influenza positiva sulla salute.

Questo articolo potrebbe essere utilizzato come base per una discussione sulle scelte alimentari sane rispetto agli alimenti spazzatura, al fine di aumentare la consapevolezza delle possibili conseguenze del comportamento alimentare degli studenti.

L’articolo potrebbe essere utilizzato in una lezione per rivedere alcuni argomenti di base circa l’espressione genica.

Potenziali domande potrebbero includere:

  • Qual è la struttura e la funzione degli istoni?
  • Quali sono i principali meccanismi di regolazione dell’espressione genica?
  • In che modo il genotipo influenza l’espressione del fenotipo?
  • Come le condizioni ambientali (interne o esterne) influenzano l’espressione genica?
  • Il diabete è un buon esempio di una malattia che è legata alla dieta. Puoi descrivere le cause del diabete?

Monica Menesini, Liceo Scientifico Vallisneri Lucca, Italia




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