Piantare i semi della difesa

Piantare i semi della difesa

Uno studio di Salk ha scoperto che lo stress innesca cambiamenti epigenetici diffusi che aiutano nella resistenza alle malattie

LA JOLLA, CA — Si è a lungo pensato che la metilazione, una parte cruciale del normale sviluppo degli organismi, fosse una modifica statica del DNA che non poteva essere alterata dalle condizioni ambientali. Nuove scoperte dei ricercatori del Salk Institute for Biological Studies, tuttavia, suggeriscono che il DNA degli organismi esposti a stress subisca cambiamenti nei modelli di metilazione del DNA che alterano il modo in cui i geni vengono regolati.

Gli scienziati hanno scoperto che l'esposizione a un batterio patogeno causava cambiamenti diffusi nel codice epigenetico di una pianta, un ulteriore livello di istruzioni biochimiche nel DNA che contribuisce al controllo dell'espressione genica. I cambiamenti epigenetici erano collegati all'attività dei geni responsabili del coordinamento della risposta di una pianta allo stress, suggerendo che l'epigenoma potrebbe aiutare gli organismi a sviluppare resistenza ai patogeni e ad altri fattori di stress ambientale.

I ricercatori del Salk hanno infettato due linee di piante con un batterio per determinare se la metilazione, un tipo di modifica chimica epigenetica del DNA, gioca un ruolo nella risposta di una pianta allo stress.

La foglia a sinistra, prelevata da una pianta normale cinque giorni dopo l'infezione, mostra i sistemi di malattia. La foglia a destra, prelevata da una pianta mutante incapace di metilazione, non mostra segni di malattia, suggerendo che la metilazione interviene nelle risposte allo stress.

Immagine: per gentile concessione di Robert H. Dowen

"Ciò significa che l'epigenoma potrebbe non essere solo un insieme statico di istruzioni, ma anche un modo di riscrivere tali istruzioni in base all'esperienza", afferma Giuseppe Ecker, un professore di Salk Laboratorio di analisi genomica, che ha guidato il team di ricerca. "Le nostre scoperte, combinate con quelle di altri ricercatori, rafforzano la tesi secondo cui le esperienze di vita lasciano un'impronta sul nostro DNA".

Nello studio, pubblicato il 7 agosto sulla rivista Atti della National Academy of Sciences, Ecker e i suoi colleghi hanno studiato come la metilazione del DNA regola il sistema immunitario del Arabidopsis thaliana Pianta. La metilazione è un processo biochimico che, tra le altre cose, sopprime l'espressione di "geni saltanti", chiamati trasposoni, che sono stati incorporati nel genoma nel tempo. Utilizzando tecnologie di sequenziamento dell'intero genoma, i ricercatori hanno individuato un'ampia gamma di alterazioni della metilazione nella risposta della pianta a un'infezione batterica e hanno eseguito diverse analisi per determinare in che modo queste alterazioni della metilazione alterano l'espressione genica.

"Da studi precedenti, sappiamo che l'espressione di alcuni geni è associata a cambiamenti di metilazione in risposta allo stress", afferma il primo autore Robert Dowen, che ha lavorato al progetto al Salk con Ecker e ora lavora al Massachusetts General Hospital di Boston. "I nostri risultati, tuttavia, mostrano che esporre una pianta allo stress innesca una moltitudine di cambiamenti di metilazione che aiutano la pianta a difendersi dai patogeni invasori".

Le piante utilizzano una serie sofisticata di meccanismi di difesa per limitare la crescita dei batteri parassiti in caso di infezione, stimolando vari segnali ormonali che innescano alterazioni nelle reti di espressione genica. I risultati di Salk e altri studi recenti suggeriscono che queste risposte di difesa cellulare coinvolgono il meccanismo di metilazione del DNA per impartire il controllo sulle reti di espressione genica. I cambiamenti epigenetici nel materiale genetico, inclusi i cambiamenti nei modelli di metilazione del DNA e le modifiche agli istoni (proteine che svolgono un ruolo chiave nella regolazione genica), possono alterare l'espressione di un gene senza modificarne la sequenza di DNA. Inoltre, molecole chiamate piccoli RNA interferenti (siRNA) sono intimamente connesse alla metilazione del DNA, soprattutto a livello dei geni saltanti, dove questi siRNA dirigono il processo di metilazione. Sorprendentemente, i ricercatori hanno scoperto che i livelli di questi siRNA cambiano anche durante l'infezione a livello di specifici trasposoni e corrispondono all'attivazione di questi frammenti di DNA mobili. Questi risultati illustrano la natura dinamica dell'epigenoma in risposta allo stress.

Le scoperte di Salk potrebbero avere ampie implicazioni per l'agricoltura, tra cui l'ingegnerizzazione dei modelli di metilazione del DNA delle piante per generare colture resistenti ai patogeni e ridurre al minimo l'esposizione ai pesticidi. Queste tecnologie applicative sono di grande interesse, poiché ogni anno oltre il 30-40% dei raccolti annuali viene perso a causa dei patogeni, con un costo di circa 500 miliardi di dollari.

Un recente studio pubblicato in Fisiologia vegetale suggerisce che la memoria delle condizioni ambientali possa essere trasmessa transgenerazionalmente, poiché le difese delle piante vengono attivate nella progenie di piante i cui genitori sono già stati esposti a patogeni. "Sebbene questo fenomeno sia poco compreso, è di grande interesse e viene studiato intensamente sul campo", afferma Dowen. "Riteniamo che i nostri risultati possano fornire un quadro per verificare direttamente se i cambiamenti di metilazione che abbiamo osservato vengano trasmessi alla progenie o se un meccanismo simile possa verificarsi anche nelle cellule umane".

Altri ricercatori coinvolti nello studio sono stati Mattia Pelizzola, Robert J. Schmitz, Ryan Lister e Joseph R. Nery del Salk Institute; e Jill M. Dowen e Jack E. Dixon dell'Università della California a San Diego.

Il lavoro è stato sostenuto da National Institutes of Health (AI060662), il Fondazione Catharina, l' Istituto californiano per la medicina rigenerativa, l' Fondazione Mary K. Chapman, l' Howard Hughes Medical Institute e Fondazione Gordon e Betty Moore.

Informazioni sul Salk Institute for Biological Studies:
Il Salk Institute for Biological Studies è uno dei più importanti istituti di ricerca di base al mondo, dove docenti di fama internazionale affrontano questioni fondamentali delle scienze della vita in un ambiente unico, collaborativo e creativo. Concentrati sia sulla scoperta che sulla formazione delle future generazioni di ricercatori, gli scienziati del Salk forniscono contributi innovativi alla nostra comprensione di cancro, invecchiamento, Alzheimer, diabete e malattie infettive, studiando neuroscienze, genetica, biologia cellulare e vegetale e discipline correlate.

I risultati conseguiti dal corpo docente sono stati riconosciuti con numerosi riconoscimenti, tra cui premi Nobel e l'iscrizione alla National Academy of Sciences. Fondato nel 1960 dal pioniere del vaccino contro la poliomielite Jonas Salk, l'Istituto è un'organizzazione indipendente senza scopo di lucro e un punto di riferimento architettonico.