Negli animali i cambiamenti epigenetici possono essere ereditati senza alterare il DNA.

In genere, le informazioni codificate nel DNA permettono agli organismi di svilupparsi, funzionare e trasmettere i tratti di generazione in generazione. Tuttavia, il DNA da solo non spiega come i geni vengano attivati ​​e disattivati ​​in cellule e ambienti diversi. Questa regolazione è in parte controllata da altri fattori chiamati epigenetica, come la metilazione del DNA, una modificazione chimica che può influenzare l’attività genica senza alterare il codice genetico stesso.

Ripristino epigenetico in diversi animali

Nei mammiferi, la maggior parte delle informazioni epigenetiche viene cancellata dopo la fecondazione (quando lo spermatozoo e l’ovulo si fondono), impedendo la trasmissione diffusa degli stati epigenetici acquisiti tra le generazioni. Tuttavia, questo tipo di ripristino sembra essere assente negli animali invertebrati, come vermi, coralli, anemoni di mare o ricci di mare.

Esperimenti sulla metilazione negli anemoni di mare

In questo studio pubblicato su Nature Ecology & Evolution , gli scienziati hanno rimosso sperimentalmente la metilazione del DNA in un’anemone di mare (Nematostella vectensis) per verificare cosa accade quando questi modelli epigenetici vengono alterati. Sorprendentemente, gli animali si sono sviluppati normalmente nonostante la perdita della maggior parte della metilazione del DNA. Invece di causare gravi difetti nella regolazione genica, la perdita di metilazione ha principalmente liberato “geni saltellanti” o “geni egoisti” nascosti, incorporati all’interno di geni attivi. Se non controllati, questi parassiti genetici possono inserirsi in geni importanti e regioni regolatorie, potenzialmente compromettendo il normale sviluppo e minacciando la stabilità del genoma.

Cambiamenti epigenetici ereditari attraverso le generazioni

Il dottor Alex de Mendoza, docente di epigenomica evolutiva alla Queen Mary University, spiega: “Poiché questi animali non presentano l’esteso ripristino epigenetico che si verifica dopo la fecondazione nei mammiferi, alcuni stati di metilazione anomali sono persistiti nella prole. Questi cambiamenti epigenetici ereditari hanno alterato il modo in cui i geni vengono attivati ​​nella generazione successiva, dimostrando che la variazione epigenetica indotta sperimentalmente può essere trasmessa attraverso le generazioni in un animale.”

Ruoli antichi della metilazione del DNA

I risultati suggeriscono che il ruolo ancestrale della metilazione del DNA negli animali non fosse principalmente quello di regolare l’espressione genica, bensì di proteggere i geni attivi dai geni saltellanti che ne compromettono la funzione. Nei mammiferi, questo stesso sistema molecolare è stato successivamente impiegato per un’ampia gamma di funzioni, tra cui la regolazione dello sviluppo e il silenziamento di uno dei due cromosomi X nelle femmine. Lo studio offre quindi uno spaccato sulle origini evolutive di importanti sistemi di regolazione.

La variazione epigenetica come carburante evolutivo

Inoltre, il lavoro rivela anche come un ripristino epigenetico incompleto possa consentire la persistenza di variazioni ereditarie attraverso le generazioni senza richiedere modifiche genetiche, fornendo potenziale materia prima per il cambiamento evolutivo. Questo studio mostra come sistemi più antichi di regolazione genica possano trasmettere informazioni attraverso le generazioni.

Abstract

Negli invertebrati, la metilazione del DNA è in gran parte limitata ai corpi dei geni altamente e costitutivamente espressi. Questo modello ha portato all’ipotesi diffusa che la metilazione del corpo genico regoli l’espressione genica e contribuisca all’adattamento ambientale e alla plasticità dello sviluppo, spesso per analogia con il suo ruolo nei genomi dei vertebrati. Tuttavia, le prove meccanicistiche a supporto di queste idee rimangono scarse, limitando l’interpretazione della variazione epigenetica in contesti evolutivi ed ecologici. In questo studio, utilizzando il modello di cnidario Nematostella vectensis , un animale a ramificazione precoce che conserva un modello di metilazione ancestrale, dimostriamo che la perdita di metilazione del DNA produce embrioni vitali con effetti minimi sull’espressione genica. Al contrario, la deplezione di metilazione causa un’ampia apertura della cromatina e un’iniziazione spuria della trascrizione, in particolare da elementi trasponibili incorporati nei corpi genici. Dimostriamo inoltre che la metilazione viene ripristinata selettivamente nella linea germinale, guidata dalla cromatina associata alla trascrizione, ma non viene riprogrammata globalmente dopo la fecondazione. Di conseguenza, stati di metilazione aberranti possono essere ereditati di generazione in generazione. Questi risultati identificano la metilazione del corpo genico come un meccanismo di difesa del genoma conservato a livello evolutivo, ne chiariscono la funzione ancestrale nei genomi animali e rivelano come un ripristino epigenetico incompleto possa generare variazioni regolatorie ereditabili con potenziali conseguenze evolutive.

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