L’epigenetica è una disciplina che studia i meccanismi di controllo dell’attività genica dovuti a modifiche del materiale genetico che non alterano la sequenza dei nucleotidi e che si verificano durante la vita di un organismo.  Generalmente, queste modifiche hanno un impatto sulla regolazione dell’attività dei genomi, riducendo o aumentando l’accessibilità dei macchinari deputati alla loro lettura ai geni.

Sono stati riconosciuti diversi meccanismi epigenetici, probabilmente il più importante è la condensazione della cromatina, cioè il fenomeno con cui il DNA si avvolge attorno a proteine chiamate istoni fino a formare strutture molto compatte, visibili al microscopio in seguito alla colorazione con apposite sostanze (da cui il termine cromatina).

Queste strutture molto compatte impediscono l’accesso alle molecole deputate alla lettura del DNA.

Attualmente è noto che nello sviluppo di questo processo sono coinvolte almeno quattro modifiche epigenetiche. Una di queste agisce direttamente a livello del DNA, la metilazione. Consiste nell’aggiunta di una molecola di metile (-CH3) ad un nucleotide (generalmente la citosina). Esistono poi altri meccanismi che agiscono sulle proteine su cui si avvolge il DNA (gli istoni) o sugli enzimi che le regolano (fattori di rimodellamento): l’acetilazione, l’ADP-ribosilazione e la fosforilazione.

Le modifiche epigenetiche influiscono su molti aspetti della biologia della cellula, sia animale che vegetale ed ha un ruolo importante in alcune patologie dell’uomo.

La ricerca in questo settore è attualmente quasi esclusivamente di base, ma le prospettive applicative non mancano.

I percorsi di ricerca sono molteplici, tra cui l’individuazione degli attori coinvolti a livello molecolare e del loro ruolo, la relazione dei meccanismi epigenetici con la forma della cromatina e il suo coinvolgimento nell’evoluzione. Una branca relativamente recente, in cui convergono gli studi sul genoma umano ed ora anche gli sviluppi dell’informatica applicata alla biologia (bioinformatica), è l’epigenetica combinatoria. In questa disciplina si cerca di capire, tra le tante cose, quali sono le correlazioni tra l’evoluzione e i meccanismi epigenetici. In particolare, alcuni studi iniziali sembrano assegnare alle zone chiamate DNA spazzatura un ruolo nell’indicare quali siano le zone da sottoporre a controllo epigenetico, in modo che questa informazione possa essere trasmessa alle generazioni successive di cellule. E’ noto, infatti, che determinate condizioni epigenetiche possono essere trasmesse attraverso le generazioni (epimutazioni).Il meccanismo che si suppone sia coinvolto è chiamato il bacio del DNA: il contatto di una zona del DNA con un’altra sembrerebbe regolarne l’attività. Altre molecole fortemente indiziate di coinvolgimento sono particolari mRNA, che legando il DNA in zone specifiche indicherebbero agli apparati di rimodellamento dove agire per “sigillare” il DNA.

Un esempio noto di regolazione epigenetica riguarda zone particolari del DNA chiamate isole CpG, poiché ricche in sequenze di citosina-guanina ripetute. Generalmente hanno una lunghezza di 500-2000 basi e si trovano nella sequenza che regolano l’attivazione del DNA (il promotore), ma talvolta si estendono anche al gene stesso. Quando le isole CpG sono metilate, non si ha trascrizione del gene corrispondente.

Molti studi hanno evidenziato che spesso queste zone sono protette dalla metilazione nelle cellule normali, ma perdono questa protezione quando si trasformano in tumorali. Per questo motivo uno degli studi di frontiera di questo tipo di ricerche riguarda lo sviluppo di kit diagnostici per rilevare cellule tumorali, valutando lo stato della metilazione. Dal punto di vista della ricerca di base è importante anche la conoscenza del come mai questo avviene nelle cellule tumorali e non in quelle normali e quali sono le conseguenze dirette sulla biologia della cellula.

Ma l’epigenetica non è importante in patologia umana solo per i tumori, ha un ruolo fondamentale anche nella regolazione del sistema immunitario. Infatti, questi meccanismi di controllo sono utilizzati anche nella regolazione delle proteine utilizzate dal sistema immunitario per la comunicazione tra le cellule (le citochine).

Uno dei settori  più attuali, riguarda il rapporto tra la regolazione epigenetica del DNA e lo sviluppo embrionale. Infatti, negli esperimenti sulla clonazione con trasferimento nucleare (come quella usata per la pecora Dolly) uno dei problemi più importanti sembra risiedere proprio in una regolazione epigenetica delle zone silenziate del genoma (il cosiddetto fenomeno dell’imprinting), che normalmente seguono un pattern molto specifico per i cromosomi ereditati dal padre e dalla madre.

Analogamente, la derivazione di cellule con morfologia e funzioni specifiche (differenziamento cellulare) da cellule staminali sottostà alla regolazione dell’epigenetica. Diversi studi confermano che la comprensione di questi meccanismi (e quindi la capacità di indurli in vitro) è basilare per scoprire come sia possibile ottenere cellule specifiche, per esempio del sangue, delle ossa, delle cornee, da quelle staminali.

Infine esistono degli studi condotti su malattie relativamente rare, la Sindrome di Angelman e quella di Prader-Willi, in cui le alterazioni dei meccanismi epigenetici che agiscono sul cromosoma 15 causano un’alterazione massiva dell’espressione genica che conduce ad alterazioni sia nel metabolismo che nella capacità di muoversi. Lo studio di queste patologie sta dando importanti risultati per quello che riguarda la nostra conoscenza sui meccanismi di funzionamento che nei nostri genomi regolano attività complesse.

Come accennato all’inizio, l’epigenetica non è interessante solo per il mondo animale, ma anche per quello vegetale. E’ noto che meccanismi epigenetici controllano la fioritura e lo sviluppo dal seme alla pianta.