Un’infezione influisce anche sull’immunizzazione delle generazioni successive?
I ricercatori della Radboud University (Paesi Bassi) lo hanno studiato insieme alle università di Bonn, Saarland (Germania), Losanna (Svizzera) e Atene (Grecia).
Anche i padri di topi che in precedenza avevano superato un’infezione da funghi o erano stati stimolati con composti fungini hanno trasmesso la loro migliore protezione alla loro prole attraverso diverse generazioni. Il team ha mostrato allo stesso tempo una migliore risposta immunitaria trasmessa ai discendenti.
Lo studio è stato ora pubblicato sulla rinomata rivista Nature Immunology.
Non viene ereditato solo ciò che è scritto nella sequenza del DNA. Gli studi scientifici dimostrano che le influenze ambientali vengono trasmesse anche alla generazione successiva.
La ricerca epigenetica indaga tali relazioni a livello molecolare. Esamina i cambiamenti nella funzione genica. “Non tutte le aree del DNA sono ugualmente accessibili per la lettura delle informazioni genetiche”, spiega il Prof. Dr. Andreas Schlitzer dell’Istituto LIMES dell’Università di Bonn.
Un gruppo di ricerca dell’Università Radboud Nijmegen (Paesi Bassi), dell’Università di Bonn, dell’Università del Saarland, dell’Università di Losanna (Svizzera) e dell’Università Nazionale e Capodistriana di Atene (Grecia) ha ora per la prima volta approfondito se gli effetti del sistema immunitario innato vengono trasmessi anche alle generazioni successive nei mammiferi.
L’infezione da funghi allena il sistema immunitario dei topi
I ricercatori hanno infettato topi maschi con funghi mughetto (Candida albicans). Dopo essersi ripresi dall’infezione, gli animali sono stati accoppiati con femmine completamente sane. I ricercatori hanno confrontato la prole risultante con la prole di coppie di topi che non erano stati precedentemente infettati da Candida. Per studiare sperimentalmente lo stato del sistema immunitario, il team ha infettato i maschi della generazione successiva di topi con batteri coliformi.
“La prole dei topi maschi precedentemente esposti alla Candida era significativamente più protetta da una successiva infezione da E. coli rispetto alla progenie dei topi maschi non infetti”, riferisce il prof. Mihai G. Netea del Radboud Center for Infectious Diseases. Questo effetto era ancora evidente nella generazione successiva.
Come funziona questa trasmissione dell’immunizzazione alle generazioni successive?
Il team ha esaminato cellule immunitarie tipiche come monociti o neutrofili. Non sono state rilevate differenze tra la progenie di topi maschi infettati da Candida e il gruppo di controllo non infetto.
Nella progenie di padri precedentemente infettati da funghi mughetto, è stato scoperto che i geni associati all’infiammazione erano più facili da leggere nei progenitori dei monociti che nei figli di padri non infetti. “Ciò dimostra che i precursori dei monociti sono ricablati epigeneticamente se i padri hanno precedentemente subito un’infezione da Candida albicans”, riassume Schlitzer.
Lo spostamento dell’attività genica è rilevabile negli spermatozoi
Come avviene la trasmissione di queste informazioni alla generazione successiva?
In collaborazione con la Saarland University, i ricercatori hanno studiato l’attività genica dello sperma di padri di topo infettati da Candida. Hanno analizzato la misura in cui i gruppi metilici hanno bloccato l’accesso ai geni.
“Qui era evidente un cambiamento nei marcatori genetici”, afferma il prof. Dr. Jörn Walter della Saarland University. La prole di topi maschi infettati da Candida ha mostrato meno blocchi genici nelle regioni geniche importanti per i processi infiammatori e la maturazione dei monociti. Il modo in cui le informazioni sui segni dello sperma raggiungono il midollo osseo, il luogo di nascita di molte cellule immunitarie, deve ancora essere esplorato in ulteriori studi.
“I risultati sono stati resi possibili dall’ottima e stretta collaborazione di ricercatori di diverse discipline e istituzioni”, sottolinea il prof. Netea. Insieme al Prof. Schlitzer, i ricercatori sono anche membri del Cluster of Excellence ImmunoSensation2 e fanno parte del Life & Medical Sciences Institute (LIMES) dell’Università di Bonn.
“Lo studio è il primo a dimostrare nei mammiferi che gli adattamenti alle malattie infettive vengono trasmessi anche alla prole”, afferma Netea. Contrariamente alla teoria classica dell’evoluzione, che presuppone un adattamento lento attraverso cambiamenti nel codice genetico, questo implica cambiamenti molto rapidi attraverso la regolazione epigenetica delle attività geniche, indipendentemente dal codice genetico.
I ricercatori non sanno ancora se i risultati ottenuti nei topi possono essere trasferiti anche all’uomo. “Ma stiamo assumendo che questo sia il caso”, afferma Schlitzer. “I meccanismi del sistema immunitario e le cellule coinvolte sono molto simili nei topi e nell’uomo”.
Un nuovo ruolo delle modificazioni epigenetiche nei disturbi dello sviluppo neurologico mediati da infezione
Una breve panoramica dei meccanismi epigenetici
“Epigenetica” si riferisce alla combinazione di meccanismi che conferiscono cambiamenti a lungo termine ed ereditabili nell’espressione genica senza alterare la sequenza del DNA stessa.21 La programmazione epigenetica è dinamica e reattiva alle diverse esposizioni ambientali durante lo sviluppo e include diversi processi interconnessi (Figura 2), compreso il rimodellamento della cromatina, le modificazioni degli istoni, la metilazione del DNA e l’espressione dei microRNA (miRNA).21, 22, 45
Le modificazioni istoniche sono modificazioni covalenti post-traduzionali delle proteine istoniche, che includono, tra le altre, metilazione, fosforilazione, acetilazione, ubiquitilazione e sumoilazione.21, 22, 45 Le modifiche istoniche possono definire la misura in cui il DNA è avvolto attorno al nucleo del nucleosoma, quindi influenzando l’accessibilità del meccanismo di trascrizione genica e la successiva espressione genica. La metilazione del DNA, d’altra parte, consiste nella metilazione covalente degli anelli della citosina che si trovano nei dinucleotidi citosina-fosfodiestere-guanina (CpG).21, 22, 45
Quando si trova in regioni genomiche distinte come siti promotori o potenziatori genici, la metilazione del DNA agisce tipicamente per reprimere la trascrizione genica. elementi di riconoscimento che contengono dinucleotidi CpG, o attraverso il reclutamento di fattori leganti il DNA metilato che a loro volta attraggono complessi che inattivano la cromatina, tra cui istone deacetilasi e istone metiltransferasi.
Infine, i miRNA sono una classe di piccoli RNA non codificanti (lunghe circa 22 nucleotidi) che possono controllare l’espressione genica bersaglio post-trascrizionale.21, 22, 45 È interessante notare che studi recenti hanno dimostrato che i meccanismi epigenetici, come la metilazione del DNA, non solo regolano la trascrizione dei geni codificanti proteine, ma anche l’espressione dei miRNA.46
Al contrario, i miRNA possono controllare l’espressione di importanti regolatori epigenetici, tra cui DNA metiltransferasi e istone deacetilasi. Quindi, esiste una rete regolatoria dinamica tra diversi percorsi epigenetici, che organizzano insieme i profili di espressione genica attraverso meccanismi trascrizionali o post-trascrizionali.21, 22, 45, 46
Rappresentazione schematica dei principali meccanismi epigenetici. Il complesso DNA-proteina è indicato come cromatina. L’unità funzionale della cromatina è il nucleosoma, che è composto da DNA avvolto attorno a un ottamero centrale di proteine istoniche. L’interazione DNA-istone si verifica alle code N-terminali di questi istoni, che sono rivolte verso l’esterno e sono siti per la marcatura epigenetica nota come modificazioni istoniche. Queste modificazioni rappresentano un primo importante meccanismo epigenetico che modula l’espressione genica e coinvolgono metilazione, fosforilazione, acetilazione, ubiquitilazione e sumoilazione. Le metilazioni del DNA negli anelli della citosina, tipicamente presenti nei dinucleotidi CpG, sono un altro importante segno epigenetico che può influenzare l’espressione genica. Infine, i micro-RNA (miRNA), una classe di piccoli RNA non codificanti, possono controllare l’espressione genica bersaglio in modo post-trascrizionale.
In che modo le modificazioni epigenetiche possono influenzare lo sviluppo del cervello?
Un numero crescente di studi evidenzia l’importanza dei meccanismi epigenetici nel normale sviluppo cerebrale.45 È interessante notare che i cambiamenti trascrizionali nel cervello si verificano più frequentemente durante la vita prenatale rispetto a qualsiasi altra età della vita.47
Una regolazione temporalmente precisa e specifica dell’espressione genica quindi sembra indispensabile per il normale sviluppo del cervello. Questo processo regolatorio comporta modifiche epigenetiche legate alla metilazione, che consentono una messa a punto dell’espressione genica fetale in base a fasi specifiche dello sviluppo cerebrale.48, 49, 50
Un ruolo critico per la metilazione del DNA nello sviluppo precoce del cervello è supportato anche dall’espressione dinamica delle DNA metiltransferasi durante la vita prenatale,51 e da studi che utilizzano modelli murini transgenici che mostrano deficit dello sviluppo neurologico in topi con mutazioni nella proteina legante metil-CpG 2 (Mecp2 ).
Oltre ai processi epigenetici che coinvolgono la metilazione del DNA, molti altri meccanismi epigenetici sembrano essere critici per lo sviluppo e le funzioni neuronali. Ad esempio, è stato dimostrato che le modificazioni dell’istone possono regolare la conversione degli oligodendrociti in cellule staminali neurali.56 Inoltre, Fischer et al.57 hanno dimostrato in un modello murino di disturbi neurodegenerativi che l’aumento dell’acetilazione dell’istone potrebbe promuovere la sinaptogenesi e aumentare le funzioni cognitive.
Sempre più prove suggeriscono che i miRNA possono svolgere un ruolo simile nello sviluppo del sistema nervoso centrale. Ad esempio, è stato dimostrato che i miRNA in specifiche popolazioni di cellule neuronali o gliali mostrano un modello di espressione dinamico durante lo sviluppo del cervello.58, 59
Inoltre, uno studio recente ha riportato modelli temporali distinti dell’espressione dei miRNA nel cervello durante la gestazione e dalla prima età neonatale a quella adulta.60 Il modello regolato dallo sviluppo dell’espressione dei miRNA è indicativo di un ruolo funzionale di queste molecole nel normale sviluppo cerebrale. Tuttavia, la nostra comprensione di come i miRNA possono influenzare i processi di sviluppo neurologico è ancora agli inizi e merita ulteriori indagini.
L’importanza dei meccanismi epigenetici nello sviluppo del cervello è supportata anche da una pletora di scoperte che dimostrano alterazioni epigenetiche in modelli di malattie del neurosviluppo che si basano sull’esposizione alle avversità ambientali nei primi anni di vita. Come esaminato in dettaglio altrove21, 45, 61 modificazioni epigenetiche stabili possono rappresentare un importante meccanismo attraverso il quale l’esposizione alle avversità ambientali della prima infanzia può indurre conseguenze patologiche, anche attraverso più generazioni.
La trasmissione transgenerazionale della suscettibilità alla malattia o della modificazione epigenetica è stata osservata in seguito all’esposizione nei primi anni di vita a varie avversità ambientali (vedere la Tabella 1 per le avversità ambientali prenatali), incluso lo stress prenatale o neonatale,62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69 malnutrizione prenatale,70, 71, 72, 73, 74, 75 interferenti endocrini76, 77, 78, 79, 80, 81 e psicostimolanti cronici o assunzione di alcol.82,83
Il fenomeno della trasmissione transgenerazionale non genetica dei tratti comportamentali ha acquisito crescente riconoscimento in vista della sua potenziale importanza nell’eziologia e nel trattamento dei disturbi multifattoriali.61, 84, 85 Come discusso nelle sezioni successive, ricerche recenti suggeriscono ora che effetti simili possono essere indotti dall’esposizione prenatale all’infezione.
Effetti epigenetici e transgenerazionali dell’infezione prenatale
Modificazioni epigenetiche indotte dall’infezione prenatale
Diversi studi recenti hanno cercato di esaminare i presunti effetti dell’infezione prenatale sui processi epigenetici. Utilizzando un modello di ratto di attivazione immunitaria materna indotta da poli(I:C), Hollins et al.86 hanno rivelato che la prole infettata prenatale mostrava differenze significative nell’espressione di miRNA nella corteccia entorinale, un’area del cervello implicata nei disturbi dello sviluppo neurologico.
È interessante notare che un ampio sottoinsieme di questi miRNA era raggruppato all’interno del dominio impresso Dlk1-Dio3 su 6q32, che è associato alla schizofrenia, e si prevedeva che regolasse i percorsi coinvolti nel rimodellamento sinaptico, nell’apprendimento e nella formazione della memoria.86
È stato anche scoperto che l’attivazione immunitaria materna mediante il trattamento con poli(I:C) nei topi altera le modifiche dell’istone nella prole. Più specificamente, la progenie di topi trattati con poli(I:C) ha mostrato cambiamenti nell’acetilazione dell’istone specifico del promotore e corrispondenti cambiamenti trascrizionali, l’ultimo dei quali ha influenzato i geni associati allo sviluppo neuronale, alla trasmissione sinaptica e alla segnalazione immunitaria.87
Prove crescenti suggeriscono che l’infezione prenatale può anche causare cambiamenti stabili nella metilazione del DNA. Ad esempio, Basil et al.88 hanno scoperto che l’esposizione prenatale al mimico virale poli(I:C) ha causato cambiamenti globali nel livello di metilazione del DNA nel cervello di topo adolescente, inclusa l’ipometilazione del promotore di Mecp2.
Un recente studio di Labouesse et al.89 ha esteso questi risultati valutando le correlazioni tra le modificazioni epigenetiche legate al DNA, i livelli di espressione dei geni corrispondenti e i deficit comportamentali. Gli autori hanno dimostrato che l’attivazione immunitaria prenatale di tipo virale da parte di poli(I:C) nei topi induceva il rimodellamento del promotore correlato alla metilazione di GAD1 e GAD2 nella corteccia prefrontale. GAD1 e GAD2 codificano per due isoforme dell’enzima limitante della velocità per la biosintesi dell’acido γ-aminobutirrico.
È stato dimostrato che la prole nata da madri immuno-sfide mostrava ipermetilazione del promotore GAD1 e GAD2 e riduzioni associate nell’espressione dei corrispondenti trascritti di mRNA (GAD67 e GAD65), che a loro volta erano correlati a deficit nell’interazione sociale e menomazioni nella memoria di lavoro.89
Questi risultati suggeriscono che le modificazioni epigenetiche legate alla metilazione nei sistemi GABAergici presinaptici possono rappresentare un meccanismo per cui l’infezione materna durante la gravidanza può indurre alterazioni comportamentali a lungo termine nella prole.
Utilizzando lo stesso modello murino di attivazione immunitaria materna indotta da poli(I:C), un recente studio di Richetto et al.90 ha esaminato le differenze di metilazione del DNA a livello di genoma alla risoluzione del singolo nucleotide mediante il sequenziamento di array di bisolfito nella corteccia prefrontale adulta.
È stato dimostrato che la prole di madri con problemi immunitari mostrava CpG iper e ipometilati in numerosi loci e in regioni genomiche distinte.90 Le differenze nella metilazione erano nuovamente associate ai cambiamenti trascrizionali dei geni corrispondenti, suggerendo che le modificazioni epigenetiche indotte dall’infezione avevano un impatto funzionale sull’espressione genica.90
Presi insieme, questi risultati indicano che l’infezione prenatale può causare cambiamenti duraturi nell’epigenoma della prole. I dati disponibili finora mostrano che l’attivazione immunitaria materna di tipo virale all’inizio/metà (tra il giorno di gestazione (GD) 9 e 12)87, 88 o alla fine (GD15 e oltre)86, 89 di gestazione causa tali cambiamenti.
Prove recenti suggeriscono, tuttavia, che la tempistica della sfida immunitaria di tipo virale determina in modo critico la specificità delle modificazioni epigenetiche mediate dall’infezione,90 poiché la finestra gestazionale precoce e tardiva differisce chiaramente in termini di modificazioni epigenetiche correlate alla metilazione che inducono.
Effetti transgenerazionali dell’infezione prenatale
Studi recenti hanno ampliato i risultati sopra menzionati valutando se le anomalie comportamentali e cognitive che emergono nei discendenti diretti (F1) delle madri gestazionali immuno-sfidate potrebbero essere trasmesse attraverso le generazioni successive (F2 e F3) senza ulteriori esposizioni immunitarie.
Utilizzando il modello di somministrazione prenatale di poli(I:C) nei topi, è stato ripetutamente dimostrato che alcune delle anomalie comportamentali non sono presenti solo nei discendenti diretti delle madri immuno-sfide, ma sono trasmesse alle generazioni successive,91,92 a almeno quando la sfida immunitaria è stata indotta all’inizio/metà della gravidanza (cioè tra GD9 e GD12).
È interessante notare che uno studio ha riportato una trasmissione transgenerazionale di anomalie comportamentali principalmente attraverso il lignaggio paterno, che si estendeva alla terza generazione (F3) della prole (Figura 3).92 La modalità di trasmissione paterna è coerente con altri modelli di avversità della prima infanzia, come lo stress pre e neonatale e la malnutrizione prenatale.62, 63, 64, 65, 66, 70, 71
Il fatto che l’attivazione immunitaria prenatale possa causare la trasmissione transgenerazionale di fenotipi patologici attraverso il lignaggio paterno suggerisce fortemente il coinvolgimento di modificazioni epigenetiche nei gameti maschili, che a loro volta potrebbero mediare l’eredità epigenetica attraverso le generazioni.21, 45, 63, 66 L’attivazione immunitaria prenatale è quindi probabile altera i segni epigenetici nella linea germinale della progenie diretta, che resiste alla cancellazione e al ristabilimento epigenetico durante lo sviluppo delle cellule germinali.21
Riassunto della trasmissione transgenerazionale e modificazione dei deficit comportamentali indotti dall’attivazione immunitaria prenatale. L’uso di un modello murino di attivazione immunitaria di tipo virale, che è stato indotto dal trattamento materno con il poli(I:C) mimetico virale, ha portato alla recente scoperta di effetti transgenerazionali a seguito dell’attivazione immunitaria prenatale (per i dettagli, vedere Weber-Stadlbauer et al.92). In questo modello, la socievolezza ridotta e l’aumento del comportamento correlato alla paura erano presenti in modo simile nella prole di prima generazione (F1) e di seconda generazione (F2) di antenati con problemi immunitari. I disturbi del gating sensomotorio erano confinati ai discendenti diretti delle madri infette, mentre l’aumento della disperazione comportamentale è emerso come un nuovo fenotipo nella seconda generazione.
Resta da determinare ulteriormente, tuttavia, perché le avversità della prima infanzia, come l’infezione materna, risparmino in gran parte le cellule germinali femminili. Una possibile spiegazione può riguardare le dinamiche evolutive differenziali dei gameti maschili e femminili. Le cellule germinali iniziano a svilupparsi poco dopo la fecondazione e proliferano rapidamente fino a migrare verso la cresta genitale, dove avviene la determinazione del sesso.21
Una volta che le cellule germinali primordiali sono sessualmente differenziate, gli ovociti e le cellule germinali maschili hanno dinamiche di sviluppo differenti; in seguito alla differenziazione sessuale, l’ovocita entra in meiosi e si arresta fino alla pubertà, mentre le cellule germinali maschili vanno in arresto fino alla nascita, quando subiscono una fase di proliferazione e poi completano la meiosi durante la pubertà.93
Oltre ai suoi effetti transgenerazionali sul comportamento, è stato scoperto che anche l’esposizione prenatale all’attivazione immunitaria di tipo virale nei topi modifica l’attività trascrizionale attraverso le generazioni. l’attivazione immunitaria ha causato diffusi cambiamenti nell’espressione genica nel cervello di entrambe le generazioni F1 e F2.
Curiosamente, mentre alcuni cambiamenti trascrizionali erano presenti unicamente nella prole F1 o F2, altri erano comuni a entrambe le generazioni. Quindi, la trasmissione transgenerazionale di anomalie comportamentali indotta dall’infezione prenatale (Figura 3) è associata e forse anche mediata da modifiche transgenerazionali dell’espressione genica.
A seconda della tempistica degli insulti ambientali o dei loci genetici, alcuni dei segni epigenetici possono interessare solo la linea germinale risparmiando i tessuti somatici nella prima generazione. Questo potrebbe spiegare perché alcuni deficit comportamentali emergono come un nuovo fenotipo solo nella seconda e terza generazione di antenati infetti (Figura 3).
Sono necessari studi futuri per confrontare le modificazioni epigenetiche indotte dall’infezione nelle cellule somatiche e nei gameti. Tali studi aiuteranno a chiarire ulteriormente i meccanismi alla base della modificazione transgenerazionale e dell’ereditarietà della patologia cerebrale a seguito dell’attivazione immunitaria prenatale.
collegamento di riferimento: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5534947/
Maggiori informazioni: Jorge Domínguez-Andrés, Trasmissione dell’immunità addestrata e resistenza eterologa alle infezioni tra generazioni, Nature Immunology (2021). DOI: 10.1038/s41590-021-01052-7. www.nature.com/articles/s41590-021-01052-7
