a cura di: Dipartimento di Scienze animali, della nutrizione e degli alimenti – DIANA – Università Cattolica del Sacro Cuore – Piacenza

I gemelli monozigoti appaiono alla nascita identici nell’aspetto, poiché condividono per larga parte la stessa sequenza genetica; tuttavia, con il passare degli anni, questi si differenziano per alcune caratteristiche antropomorfiche e per la suscettibilità a patologie. Una delle spiegazioni di questa variabilità fenotipica tra individui geneticamente identici è fornita dall’ambiente, il cui effetto viene indagato dall’epigenetica.

Il concetto di “epigenetica” si sviluppò alla fine degli anni ’30 e fu utilizzato per la prima volta nel 1942 dall’embriologo prof. C.H. Waddington. Con questo termine Waddington si riferiva al processo di sviluppo che collega il genotipo al fenotipo negli organismi. Negli anni a seguire, grazie al progresso nel campo molecolare, evoluzionistico e biologico, il significato di “epigenetica” ha assunto diverse sfaccettature fino a definire oggi “quelle modificazioni cellulari che possono essere ereditabili ma che non sono dovute a cambiamenti nella sequenza di DNA, e che possono essere influenzate da stimoli ambientali”.

Le epi-mutazioni non alterano dunque la sequenza genetica contenuta nei filamenti di cromatina, bensì la loro conformazione. Infatti, coinvolgono processi che cambiano il grado di accessibilità della cromatina per i fattori di trascrizione, portando di conseguenza a modifiche nell’espressione genica e in definitiva influenzando il fenotipo. Questi processi, che possono interessare sia il DNA che gli istoni, consistono nell’aggiunta di un gruppo funzionale (metile, acetile, fosfato…) o di una proteina (ubiquitina, SUMO…) oppure coinvolgono molecole portatrici di informazione epigenetica, come gli RNA non codificanti.

Numerose ricerche hanno rilevato che la presenza e l’entità delle epi-mutazioni sono influenzati da fattori ambientali, quali per esempio l’esposizione a metalli pesanti, idrocarburi policiclici aromatici, sostanze radioattive, ma anche ormoni, virus, batteri, nutrienti e stress climatici. Inoltre, recenti studi hanno dimostrato l’ereditabilità transgenerazionale dell’informazione epi-genetica nei modelli animali, suggerendo dunque che le esperienze dei genitori (stress, alcool, tabacco…) possano influire sul fenotipo della progenie. Alla luce di questo, l’interesse della ricerca per l’epigenetica in medicina umana è molto acceso in relazione a patologie complesse con sostanziale influenza ambientale, quali tumori e patologie del neuro-sviluppo.

Oltre alla medicina umana, gli studi di epigenetica hanno aperto interessanti scenari anche per il settore zootecnico. L’aumento di produttività raggiunto negli ultimi cinque decenni nei sistemi di produzione animale è stato ottenuto grazie a un’intensa attività di selezione genetica e management. Sono stati identificati marcatori genetici associati alla produzione di latte, alla qualità della carne, alla riproduzione e ai caratteri di crescita, e alcuni di questi marcatori sono già utilizzati nella selezione genomica. Tuttavia, la variabilità genomica rappresentata dai marcatori del DNA potrebbe spiegare solo una parte della varianza fenotipica dei caratteri. Una parte elusiva della variazione genetica nei caratteri della produzione animale è probabilmente incorporata nell’epigenoma e rimane ancora da valorizzare.

Per esempio, interessanti studi in questa direzione hanno indagato l’effetto della nutrizione e delle condizioni ambientali sull’espressione genica. Infatti, alcuni nutrienti come vitamina B-12, folato, colina, betaina e metionina, così come supplementi o restrizioni a livello calorico o proteico possono cambiare il grado di metilazione del DNA e modificare in vario modo gli istoni. Nei bovini, l’integrazione con un complesso di vitamine B rumino-protette ha portato a un aumento del tasso di concepimento al primo servizio, suggerendo un legame tra metilazione e tasso di concepimento. Inoltre, le figlie di vacche alimentate con un supplemento proteico durante l’ultimo trimestre di gravidanza hanno mostrato tassi di gravidanza complessivamente più elevati, suggerendo che i cambiamenti nello stato nutrizionale materno durante la tarda gravidanza abbiano influenzato le prestazioni riproduttive delle figlie.

Un altro fattore ambientale noto per influenzare i meccanismi epigenetici è lo stress. Per esempio, lo stress da caldo subito dalle bovine nel periodo di asciutta compromette la crescita fetale e il sistema immunitario della prole fino allo svezzamento. Studi successivi hanno dimostrato che le conseguenze negative si estendono per almeno due generazioni, influenzando dunque anche le nipoti delle bovine esposte a stress da caldo.

Dalla dieta al clima, l’analisi di dati epigenetici potrebbe permettere di spiegare una parte della varianza fenotipica non spiegata dalla genetica. Alcuni approfondimenti, potenziali utilizzi e scetticismi sono stati già proposti per applicare l’informazione epigenetica nella selezione di bovini e ovini e per pesci e molluschi. I potenziali utilizzi più rilevanti nel campo del breeding comprendono i) incorporare l’informazione epigenetica nelle valutazioni genomiche; ii) studi di interazione tra genotipo, epi-genotipo e ambiente; iii) programmi di selezione epigenetica.

L’era dell’epigenomica porta con sé scoperte e sfide interessanti che possono essere potenzialmente incluse nei programmi di selezione. In primo luogo, è necessario identificare quali segnali epigenetici siano effettivamente ereditabili e quali effetti abbiano sui diversi caratteri. Per far ciò bisognerebbe disporre di una tecnologia meno costosa di quelle attuali a disposizione per sequenziare l’epigenoma di molti animali e per diverse generazioni. In secondo luogo, sarebbe necessario sviluppare modelli per integrare le informazioni su metiloma e genoma per la predizione di valori genetici dei riproduttori che comprendano anche gli effetti epigenetici e che insieme ai dati ambientali permettano una stima migliore delle performance di tutti gli animali.

È chiaro che le strategie di breeding volte ad aumentare la frequenza di determinati epi-genotipi sono valide solo in caso di ereditabilità delle epi-mutazioni. In alternativa potrebbe essere attuata una scelta degli accoppiamenti per ottenere genotipi che favoriscano un determinato epi-genotipo, o adottate tecniche gestionali/nutrizionali che possano promuovere epi-genotipi favorevoli nelle popolazioni.