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Conceptual Papers

L’INATTIVAZIONE DEL CROMOSOMA X – DA NORMALE PROCESSO BIOLOGICO AI POSSIBILI UTILIZZI PRATICI

L’INATTIVAZIONE DEL CROMOSOMA X

DA NORMALE PROCESSO BIOLOGICO AI POSSIBILI UTILIZZI PRATICI

Sara Palma, studentessa di biologia, Eugenia D’Alterio, biologa & Rinaldo Octavio Vargas, sociologo

  COMPENSAZIONE DI DOSAGGIO GENICO

Come insegnano i libri di testo in materia, nella biosfera sono presenti innumerevoli organismi aventi sistemi riproduttivi e cicli vitali diversi. Come possiamo ben ricordare, la meiosi è un meccanismo riproduttivo naturale ben articolato, che riguarda esclusivamente il sistema riproduttivo di organismi eucarioti diploidi, produce gameti aploidi cosicché durante la fecondazione si ristabilisce il numero diploide di cromosomi per metà materni e per metà paterni. La meiosi assicura così la continuità genetica tra individui della stessa specie.

Il cromosoma è l’unità strutturale in cui il DNA, associato con specifiche proteine, si organizza all’interno delle cellule con il suo carico di informazione genetica, garantendo quindi un patrimonio genetico diverso da specie a specie. Nell’uomo sono presenti 23 coppie di cromosomi, tra cui una coppia di cromosomi sessuali, per un totale di 46 cromosomi. Principalmente, i maschi e le femmine differiscono nei cromosomi sessuali: le femmine hanno due cromosomi X (XX) mentre i maschi hanno un cromosoma X e un cromosoma Y (XY).

Il termine “X” origina da numerose ricerche biologiche tenute da Hermann Henking, il quale, studiando il sistema riproduttivo delle vespe e analizzandone ogni particolare, con uno dei primi microscopi ottici, si rese conto che nello sperma di vespa ogni tanto vi sono 12 cromosomi invece di 11. Seguendo un ragionamento matematico Henking denominò il cromosoma estraneo come “X”, non per la forma, bensì per il semplice fatto che non avendo la strumentazione giusta e, quindi, non potendo comprendere da cosa dipendesse la sua assenza o presenza gli attribuì un’incognita, pur ipotizzando che la sua assenza o presenza fosse molto correlata alla scelta del sesso della progenie.

Studi approfonditi sulla meiosi hanno consentito di scoprire la ripartizione dei cromosomi sessuali (o eterosomi) nei gameti dei due sessi. Nei mammiferi i cromosomi sessuali X e Y differiscono radicalmente in contenuto di geni: il cromosoma X è grande e contiene più di mille geni mentre l’ Y è più piccolo e contiene meno di 100 geni. Ma i mammiferi hanno evoluto un meccanismo di “compensazione di dosaggio” per equalizzare la quantità dei prodotti genici del cromosoma X fra maschi e femmine.

Tale compensazione previene, quindi, l’espressione in eccesso del cromosoma X e si ottiene mediante l’inattivazione trascrizionale di uno dei due cromosomi X nelle cellule somatiche femminili, processo noto come inattivazione dell’X.[1]

Infatti, la trascrizione dei geni presenti in entrambi i cromosomi sessuali XX della femmina porterebbe ad una sovra-espressione dei loro prodotti, che viene così evitata inattivandone uno dei due. In questo modo, precocemente nello sviluppo di un embrione femminile, uno dei due cromosomi X in ciascuna cellula diventa altamente condensato in un tipo di eterocromatina. Il cromosoma X condensato può essere visto

facilmente al microscopio ottico nelle cellule interfasiche, è posto vicino alla membrana nucleare e prende il nome di “corpo di Barr”. Come risultato dell’inattivazione dell’X, due cromosomi X possono coesistere all’interno dello stesso nucleo, esposti alle stesse proteine che regolano la trascrizione, eppure differire interamente nella loro espressione.

La scelta iniziale di quale cromosoma X inattivare, quello ereditato dalla madre (Xm) o quello ereditato dal padre (Xp) è casuale. Una volta che uno dei due è stato inattivato, rimane silente per tutte le successive divisioni cellulari di quella cellula e della sua progenie, indicando che lo stato inattivo viene mantenuto fedelmente per molti cicli di replicazione del DNA e di mitosi. Poiché l’inattivazione dell’ X è casuale e avviene dopo che diverse migliaia di cellule si sono formate nell’embrione, ogni femmina è un mosaico di gruppi clonali di cellule in cui è silenziato Xp o Xm.

L’inattivazione del cromosoma X è stata individuata per la prima volta alla fine degli anni 50 dal biologo evoluzionista e genetista Susumu Ohno. La sua ricerca osservò che in ciascuna delle cellule femminili, studiate dal suo gruppo, uno dei due cromosomi X si trovava raggrinzato in un “ciuffo” dormente. Successivamente, la ricerca osserverà che in tale situazione quasi nessuna proteina era prodotta dal “ciuffo” e ciò indicava che esso era in arresto.

Quasi in contemporanea agli studi di Ohno, la genetista Mary F. Lyon, partendo dal dato che alcuni geni portatori di informazione relativa alla pigmentazione si trovavano nel cromosoma X, escogita una modalità di indagare la sua inattivazione mediante l’allevamento di topi. Nel 1961 enunciò un’ipotesi, frutto di varie osservazioni di topi femmine emizigoti[2], per i geni associati all’X responsabili del colore del mantello. Questa ipotesi, nota come ipotesi di Lyon, postulava che l’inattivazione dell’X avvenisse casualmente nelle cellule somatiche nel corso delle prime fasi dello sviluppo embrionale e che in tutta la progenie cellulare fosse inattivato sempre lo stesso cromosoma. In pratica, una volta che un cromosoma X (materno o paterno) è stato inattivato lo sarà in tutte le popolazioni cellulari che derivano da quella cellula.[3]

Allo stesso modo un altro esempio può essere la colorazione nera e rossastra a “guscio di tartaruga”, di alcuni gatti femmine, generato appunto dall’inattivazione casuale di uno dei geni (X) nei luoghi in cui i colori del pelo cambiano.

Sebbene l’inattivazione del cromosoma X sia mantenuta per migliaia di divisioni cellulari, non sempre è permanente. In particolare, viene annullata durante la formazione delle cellule germinali, così che gli oociti aploidi contengano ognuno un cromosoma X attivo e possano esprimere i prodotti dei geni legati all’X stesso.

   COME VIENE INATTI VATO , TRASCRIZIONALMENTE, UN INTERO CROMOSOMA X?

Che le femmine “disattivassero” uno dei due cromosomi X è, certamente, una conoscenza che è stata verificata di recente. Ciò che i ricercatori cercano ora di descrivere a fondo riguarda quali regole segua l’inattivazione del cosiddetto cromosoma X e come essa si avvii. Ciò che in specifico si cerca di comprendere è come nello sviluppo dell’embrione femmina, allo stadio precoce, uno dei due cromosomi viene inattivato permanentemente in maniera apparentemente del tutto casuale in tutte le cellule somatiche.

L’inattivazione o eterocromatizzazione del cromosoma X avviene, infatti, intorno al 15mo-16mo giorno dell’embriogenesi (l’embrione è composto da circa 5000 cellule), inizia e si diffonde da un singolo sito nel mezzo del cromosoma, il centro di inattivazione dell’X, detto XIC. Alcune porzioni del cromosoma X possono sfuggire all’inattivazione fondendosi con un autosoma. Autosomi che invece sono fusi con XIC di un cromosoma X inattivo, sono silenziati trascrizionalmente.

All’interno di XIC si trova codificata una molecola insolita di RNA, l’RNA XIST, esso è espresso esclusivamente dal cromosoma X inattivo e la cui espressione è necessaria per l’inattivazione dell’X stesso. L’RNA XIST non viene tradotto in proteina, ma resta invece nel nucleo, dove alla fine riveste il cromosoma X inattivo. L’estensione dell’ RNA XIST da XIC sull’intero cromosoma X è correlata con la diffusione del “silenziamento” genico, indicando che l’RNA XIST partecipa alla formazione e alla diffusione dell’eterocromatina (cromosoma condensato). Tale cromosoma viene quindi “silenziato”, ovvero reso inerte dal punto di vista trascrizionale, tramite “impacchettamento” in un’unità densa di etero cromatina che forma una struttura inerte definita, come citato precedentemente, il corpo di Barr. Da qui tramite specifiche modificazioni epigenetiche l’X inattivo assume le caratteristiche dell’eterocromatina costitutiva, condizioni che vengono mantenute stabili nelle divisioni cellulari successive.

L’inattivazione del cromosoma X è, comunque, un normale processo biologico. La ricerca, certamente, esula di essere una torre d’avorio interessata alla conoscenza fine a se stessa. Essa è guidata dai possibili utilizzi pratici. Infatti, questa inattivazione di un cromosoma X, forse, non ci solleciterebbe molto a escogitarne una spiegazione se non fosse perché il cromosoma X contiene un’alta densità genica.[4]

  COME IMPARIAMO AD INTERVALLI           …

Come impariamo ad intervalli, ogni conoscenza (umana), come quella che ci riferiscono i libri di testo, ha un valore euristico e ciò significa che la ricerca continua nelle sue aporie.

Certamente, le domande che guidano la sua continuità non sono né scritte a priori, in qualche angolo predefinito della coscienza umana o dell’universo, né bisbigliate da nessuna onniscienza, ma sono vagliate e accreditate nella comunità sociale di riferimento in funzione di specifici interessi volti a soddisfare qualche bisogno tra le popolazioni che in tali comunità di riferimento si riconosco come garanti dei modelli di pratiche adattive o di sopravvivenza.

Oggi l’insistere nel conoscere di più la questione dell’inattivazione del cromosoma X è vincolato al possibile utilizzo di tale tecnica in modo artificiale. Basti ricordare la possibilità di poter sfruttare l’XIST per isolare e inattivare artificialmente la copia extra del cromosoma 21 (responsabile della sindrome di Down[5]), introducendo così nella pratica medica strumenti sempre più completi e sofisticati per la valutazione e correzione di malattie cromosomiche e seguendo così l’andamento della gravidanza e della salute del feto. Centri di Diagnosi Prenatale mettono, per l’appunto, a disposizione delle gestanti e dei medici che le assistono le tecnologie più avanzate nel settore per la diagnosi delle patologie cromosomiche e genetiche del feto[6].

Insistere nel conoscere di più la questione dell’inattivazione del cromosoma X è, anche, vincolato al possibile utilizzo sicuro delle cellule staminali nei trattamenti medici. Infatti, ciò che si è osservato è che quando le cellule staminali vengono allevate in laboratorio esse, a volte, inattivano l’XIST (X-INACTIVE SPECIFIC TRANSCRIPT).[7] Il timore è che le cellule staminali possano anch’esse attuare l’inattivazione con conseguenze imprevedibili. Dunque, la ricerca delle regole del fenomeno dell’inattivazione del cromosoma X si fa pressante.

In questo scenario, un gruppo di ricercatori[8] ha reso nota una visione senza precedenti dell’inattivazione del cromosoma X, mostrando la complessità dei patterns nei quali i cromosomi X femminili vengono attivati e disattivati. (Questa ricerca mostra anche come, nello stesso tempo, ciascuna coppia di cromosomi X femminili contiene versioni di geni non reperiti nel suo partner Y nella coppia di cromosomi sessuali maschili XY, mostrando altresì la complessità genetica femminile).

Avere una visione più approfondita di come le femmine arrestassero l’attività dei loro cromosomi X rimase una sfida dopo le ricerche della Lyon. Di recente, le indagini in questo campo hanno portato a escogitare un metodo di osservazione al riguardo: esso consiste nel far si che i cromosomi X dei due genitori si potessero “illuminare”. La procedura comportava l’inserimento di un set di geni entro i cromosomi dei topi. Questi geni producevano una proteina fluorescente verde da parte del cromosoma X attivo se i geni venivano esposti ad uno stimolo chimico scatenante.[9] Questa ricerca, in seguito, sempre mediante ingegneria genetica, si procurò dei topi che producevano una proteina rossa dai cromosomi X attivi in risposta ad uno stimolo chimico. In questo modo i ricercatori ottennero un incrocio di cuccioli femmine che ereditavano un cromosoma X verde da un genitore e uno X rosso dall’altro. Allora i ricercatori condussero esperimenti somministrando ad entrambi gli stimolatori chimici del colore nelle cellule di questi topi. Il risultato è stato che le cellule si accendevano in un luminoso mosaico di rossi e verdi. Il “pattern” (casuale) individuato era che una cellula poteva inattivare il cromosoma Xm della madre, mentre la cellula vicina inattivava quello Xp ereditato dal padre.

Infatti, ultimamente, la ricerca si è molto interessata al fatto che le nostre cellule possano variare geneticamente, fenomeno conosciuto come “mosaicismo”.[10] Il pattern dell’inattivazione di un cromosoma X genera una diversità genetica particolarmente interessante. Due cellule, l’una affianco all’altra, possono utilizzare versioni di tanti geni diversi. La scala di questa diversità genetica è ancora più larga. In alcuni cervelli, ad esempio, il cromosoma Xm della madre è stato osservato dominare il lato sinistro, mentre il cromosoma Xp ereditato dal padre dominava il destro. Interi organi posso essere dominati da solo uno dei cromosomi X (Xm o Xp). Ed ancor di più, in alcuni topi è stato osservato che un occhio era dominato dal cromosoma Xp e l’altro da Xm. In alcuni esemplari, tutti i cromosomi X di uno dei genitori risultavano completamente disattivati, mentre in altri si presentava il contrario.

Ma perché, nella costruzione della nostra conoscenza, questi mosaici colorati e le osservazioni che ne risultano sono così interessanti?

L’ipotesi[11] è che queste mappature colorate possano servire come un atlante per indagare gli effetti della disattivazione di un cromosoma X della coppia Xm Xp nelle cellule somatiche delle femmine umane. L’idea di base che si vuole documentare è che, poiché ciascun cromosoma X porta varianti diverse degli stessi geni, un tessuto dominato dal cromosoma Xp ereditato dal padre potrebbe comportarsi in modo differente da uno dominato dalla Xm materno.

Come una cellula finisca per silenziare il cromosoma Xm o Xp non è ancora chiaro. La ricerca, infatti, cerca di decifrare alcuni passi chiave del processo. I ricercatori non sanno come una cellula scelga di silenziare uno o l’altro cromosoma ma hanno intanto identificato un numero di molecole che “compiono” la disattivazione. La “molecola leader” di questo gruppo è stata individuata e denominata XIST (XInactive Specific Transcript) di cui abbiamo già parlato precedentemente.[12]

Dalla sua individuazione negli anni 90, i ricercatori argomentano come XIST riesce a chiudere un intero cromosoma. Alcuni ricercatori avevano suggerito che una molecola XIST “atterra” in un punto del cromosoma X e poi altre molecole si attaccano ad essa, estendendosi sulla superficie del cromosoma. Studi più recenti[13] sembrano suggerire che le molecole XIST avvolgano il cromosoma come uno sciame di api, raggiungendo tutti i geni tutto ad un tratto. Una volta che XIST si avvia, esso attira altri tipi di molecole e, assieme, avvolgono il cromosoma X. Quando una cellula si divide, nuove copie delle molecole silenziano lo stesso cromosoma nelle cellule sue discendenti.

Perché le cellule delle femmine umane seguano questo pattern è una domanda quasi metafisica allo stadio della ricerca in materia. Infatti, ancora le documentazioni disponibili non forniscono prove convincenti per le spiegazioni suggerite.[14] Una delle spiegazioni proposte è che i maschi debbano incrementare la produzione di proteine dal loro cromosoma X perché hanno solo una copia dei suoi geni mentre per le femmine,il rischio di una sovrapproduzione proteica ha portato la conseguente necessità di inattivare uno dei cromosomi X per ritrovare un equilibrio.

Le femmine potrebbero essersi evolute per scegliere a caso tra i cromosomi dei loro genitori perché ciò dava loro più versatilità genetica. A volte un gene in un cromosoma X è difettoso. Le cellule femminili che utilizzano la copia sana del cromosoma X possono compensare ma i maschi, di conseguenza, sono più esposti a malattie genetiche legate al cromosoma X, quale il daltonismo perché non hanno copia di riserva (backup) sul cromosoma Y.

Alcuni ricercatori ipotizzano che l’utilizzo dei cromosomi di entrambi genitori è specialmente utile nel sistema nervoso.[15] La ragione di questa argomentazione è che l’utilizzo dei cromosomi di entrambi i genitori genererebbe più modi per elaborare informazione. La diversità nel cervello è un altro modo di denominare le possibilità di successo evolutivo. Il cromosoma X può, però, porre un rischio alle femmine.

Alcuni ricercatori hanno trovato che quando vengono disattivati XIST in topi femmine queste hanno mostrato una maggior probabilità di sviluppare cancro. Questo ha portato a sospettare che quando una cellula ferma la sua produzione di XIST, il suo cromosoma X disattivato si “risveglia” per cui le proteine extra che questo cromosoma produrrebbe potrebbero condurre la cellula a crescere in maniera incontrollata.[16]

Questa osservazione comporta delle conseguenze riguardo ai progetti di terapie con le cellule staminali. Infatti, le cellule staminali allevate in laboratorio a volte smettono di produrre XIST. Ciò ha portato all’ipotesi che le cellule staminali femminili possano risvegliare cromosomi X dormenti con conseguenze devastanti. Perciò prima che le cellule staminali possano essere usate nel trattamento medico bisognerebbe approdare a nuove conoscenze relative alla disattivazione e al “risveglio” del cromosoma X.

Data questa ricchezza genetica, le femmine hanno accesso a domini della biologia che semplicemente i maschi non hanno. Tuttavia, sebbene i geni addizionali forniti dal loro secondo cromosoma X possono, in alcuni casi, conferire alle femmine certi vantaggi genetici, i cromosomi X hanno anche un lato oscuro. La loro peculiare biologia può condurre a disordini genetici nei maschi e, secondo nuove ricerche, creare un rischio particolare di cancro nelle femmine. E, comprendere l’inattivazione del cromosoma X, potrebbe dare luce circa l’utilizzo delle cellule staminali in terapia.

In conclusione: Ricerca e conoscenza, come si è visto, sono decretate da esigenze che la società richiede, da questo ne risulta la loro costruzione sociale.

 

[1]B. Alberts, A. Johnson, J. Lewis, M. Raff, K.Roberts, P. Walter, Biologia molecolare della cellula. 5° ed. Zanichelli. 2009

[2]Emizigote in biologia, organismo o singola cellula che nel suo genotipo abbia alcuni geni in condizione singola anziché duplice; il termine è generalmente applicato ai maschi XY che, nei confronti delle femmine XX, hanno un unico cromosoma X e quindi un solo allele per tutti i geni portati da quel cromosoma. Enciclopedia Treccani.

[3]William S. Klug, Charlotte A. Spencer. Concetti di Genetica. Ed. Pearson, Torino, 2007

[4]Conta infatti quasi 155 milioni di paia di basi e rappresenta circa il 5% del DNA nelle cellule della femmina (dove è presente in duplice copia) e il 2,5% nelle cellule del maschio (dove è invece presente in copia singola). Per dimensione, si tratta dell’ottavo cromosoma umano. L’identificazione dei geni presenti su X è tuttora in corso ma ne sono stati individuati oltre 1100.

[5]Nelle persone con sindrome di Down vi sono tre (anziché due) copie del cromosoma 21. Tale “trisomia 21” è motivo di disabilità cognitive: aumentando il rischio di leucemia infantile, difetti cardiaci e del sistema immunitario.

[6]Gruppo GENOMA

[7]Jeannie T. Lee, X-Chromosome Inactivation: Sex, Heterochromatin, Paradoxes, and Evolution. In “Our Scientists”, Howard Hughes Medical Institute, Chavy Chase, Maryland, 2012

[8]Hao Wu, Junjie Luo, Huimin Yu, Amir Rattner, Alisa Mo, Yanshu Wang, Philip M. Smallwood, Bracha Erlanger, Sarah J. Wheelan, Jeremy Nathans. Cellular Resolution Maps of X Chromosome Inactivation: Implications for Neural Development, Function, and Disease. In “Neuron”, Volume 81, Issue 1, Pages 103-119, 8 January 2014

[9]Ibidem

[10]Per mosaico genetico o mosaicismo si intende la presenza, in un individuo pluricellulare, di due o più linee genetiche diverse, ossia di diversi patrimoni genetici all’interno di uno stesso individuo che vengono espressi contemporaneamente. In pratica, non tutte le cellule di quell’organismo hanno lo stesso corredo cromosomico, oppure lo esprimono in maniera variabile.

[11]Hao Wu, Jeremy Nathans et al. op. cit.

[12]Il XIST (X-Inactive Specific Transcript) è un gene RNAnel cromosoma X delle femmine di mammifero che attua come “il leader” del processo di inattivazione. La sua trascrizione è espressa nel cromosoma inattivo e non nell’attivo (cioè esso rimane non trascritto).

[13]Jeannie T. Lee, op. cit.

[14]Gabriel A.B. Marais, an evolutionary biologist at the University of Lyons in France

[15]Hao Wu, Jeremy Nathans et al. op. cit.

[16]Jeannie T. Lee, op. cit.

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