Alterazioni epigenetiche: ruolo nell’invecchiamento

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Le alterazioni epigenetiche sono cambiamenti nei sistemi che regolano l’attività dei geni senza modificare la sequenza del DNA. Metilazione del DNA, modificazioni degli istoni, organizzazione della cromatina e RNA non codificanti contribuiscono a stabilire quali informazioni genetiche vengano utilizzate dalle cellule e in quale misura. Con l’età, questi sistemi possono progressivamente modificarsi e perdere parte della loro precisione regolatoria [3, 4].

Per questo le alterazioni epigenetiche sono considerate uno degli Hallmarks of Aging, cioè uno dei processi biologici centrali utilizzati per descrivere l’invecchiamento. La loro presenza non significa però che l’invecchiamento dipenda da un singolo “interruttore epigenetico”, né che modificare un determinato marcatore equivalga automaticamente a rallentare o invertire l’età biologica [2, 3].

Che cosa sono le alterazioni epigenetiche

L’epigenetica studia i meccanismi che regolano l’espressione e l’organizzazione dell’informazione genetica senza modificare la sequenza delle basi del DNA.

L’epigenoma non è identico in tutte le cellule. Una cellula nervosa, una cellula muscolare e una cellula epatica possiedono sostanzialmente lo stesso genoma, ma utilizzano programmi di espressione genica differenti. Parte di questa specializzazione dipende proprio dalla regolazione epigenetica.

Con l’invecchiamento vengono osservati diversi cambiamenti:

variazioni nei pattern di metilazione del DNA;
modificazioni nella distribuzione e nelle modifiche post-traduzionali degli istoni;
cambiamenti nell’accessibilità e nell’organizzazione della cromatina;
alterazioni dell’eterocromatina;
modificazioni nell’espressione di RNA non codificanti;
maggiore variabilità epigenetica tra cellule e tessuti.

Questi fenomeni non sono uniformi. Possono differire tra tessuti, tipi cellulari e individui e possono essere influenzati dallo sviluppo, dall’ambiente, dal metabolismo, dalle esposizioni e dallo stato di salute [4].

Quali sono i principali meccanismi epigenetici

La regolazione epigenetica comprende diversi processi chimici e molecolari che contribuiscono a determinare l’accessibilità del DNA e l’espressione dei geni senza modificarne la sequenza. Questi meccanismi possono agire direttamente sul DNA, sulle proteine istoniche attorno alle quali il DNA è organizzato e sulla struttura complessiva della cromatina.

Metilazione del DNA

La metilazione del DNA consiste nell’aggiunta di un gruppo metile (-CH3), prevalentemente al carbonio 5 della citosina nei dinucleotidi CpG, con formazione di 5-metilcitosina. La reazione è catalizzata dalle DNA-metiltransferasi (DNMT) [4].

L’effetto sulla trascrizione dipende dalla regione genomica interessata e dal contesto cellulare. La metilazione delle regioni promotrici ricche di CpG è frequentemente associata a una minore attività trascrizionale, mentre in altre regioni del genoma può assumere significati differenti.

Acetilazione degli istoni

L’acetilazione degli istoni comporta l’aggiunta di gruppi acetile ai residui di lisina delle proteine istoniche. Le istone-acetiltransferasi (HAT) favoriscono l’acetilazione, mentre le istone-deacetilasi (HDAC) rimuovono questi gruppi.

L’acetilazione riduce generalmente l’interazione elettrostatica tra gli istoni e il DNA e tende a favorire una configurazione della cromatina più accessibile. La deacetilazione è invece frequentemente associata a una cromatina più compatta. Anche in questo caso, l’effetto finale sull’espressione genica dipende dal contesto molecolare e dalla regione interessata [9].

Metilazione degli istoni

Anche gli istoni possono essere metilati, principalmente su residui di lisina e arginina. A differenza dell’acetilazione, la metilazione degli istoni non produce un effetto univoco sull’espressione genica.

Il risultato dipende dal residuo modificato e dal numero di gruppi metile aggiunti. Alcune marcature, come H3K4me3, sono generalmente associate a regioni trascrizionalmente attive, mentre altre, come H3K9me3 e H3K27me3, sono caratteristiche di stati cromatinici repressivi [9].

Fosforilazione degli istoni

La fosforilazione degli istoni consiste nell’aggiunta di gruppi fosfato a specifici residui amminoacidici. Partecipa a diversi processi cellulari, tra cui la condensazione dei cromosomi, la regolazione della trascrizione e la risposta al danno del DNA.

Un esempio particolarmente studiato è la fosforilazione della variante istonica H2AX, denominata γH2AX, che compare nelle regioni circostanti le rotture a doppio filamento del DNA e partecipa all’organizzazione della risposta cellulare al danno [9].

Ubiquitinazione e altre modificazioni degli istoni

Gli istoni possono inoltre essere sottoposti a ubiquitinazione, sumoilazione e altre modificazioni post-traduzionali. L’ubiquitinazione comporta il legame covalente dell’ubiquitina a specifici residui proteici e, nel contesto degli istoni, può partecipare alla regolazione della trascrizione, dell’organizzazione della cromatina e della risposta al danno del DNA [9].

Le diverse modificazioni degli istoni non operano isolatamente. La loro combinazione, insieme alle modificazioni del DNA e ad altri sistemi regolatori, contribuisce a determinare lo stato funzionale della cromatina.

Rimodellamento della cromatina

Il rimodellamento della cromatina rappresenta un livello di regolazione differente dalle modificazioni chimiche appena descritte. Non consiste infatti nell’aggiunta o nella rimozione di un gruppo chimico dal DNA o dagli istoni, ma nella modifica dell’organizzazione fisica con cui il DNA è disposto all’interno del nucleo.

Il DNA è avvolto attorno alle proteine istoniche formando strutture chiamate nucleosomi. La posizione e la densità dei nucleosomi contribuiscono a determinare quanto una regione del DNA sia accessibile ai sistemi cellulari coinvolti nella trascrizione, nella replicazione e nella riparazione.

Specifici complessi di rimodellamento della cromatina utilizzano energia, generalmente derivata dall’ATP, per spostare, riorganizzare o rimuovere i nucleosomi. Una regione può così diventare più accessibile oppure più compatta senza che venga modificata la sequenza del DNA.

Anche l’organizzazione della cromatina cambia con l’età. Sono state descritte alterazioni dell’eterocromatina, dell’organizzazione nucleare e della distribuzione dei nucleosomi, fenomeni che possono contribuire alla modificazione dei programmi di espressione genica e interagire con altri processi dell’invecchiamento, compresa l’instabilità genomica [4].

La regolazione epigenetica dipende quindi sia dalle modificazioni chimiche del DNA e degli istoni sia dal modo in cui il materiale genetico viene fisicamente organizzato e reso accessibile all’interno della cellula.

Metilazione del DNA e invecchiamento

Tra questi meccanismi, la metilazione del DNA è uno dei più studiati nell’invecchiamento umano.

Con l’età si osservano cambiamenti complessi dei pattern di metilazione: in alcune regioni del genoma si verifica una progressiva perdita di metilazione, mentre in altre possono comparire incrementi localizzati. Non si tratta quindi di un semplice aumento o diminuzione generale della metilazione, ma di una riorganizzazione della sua distribuzione nel genoma [4].

Questi cambiamenti non sono necessariamente equivalenti a una perdita di funzione e il loro significato può variare in relazione alla regione genomica, al tessuto e al tipo cellulare considerato.

Una parte delle modificazioni della metilazione associate all’età presenta tuttavia pattern sufficientemente regolari da poter essere utilizzata nella costruzione di modelli matematici capaci di stimare l’età sulla base di specifici siti CpG. Da questa osservazione deriva lo sviluppo degli orologi epigenetici, che verranno approfonditi più avanti.

Deriva epigenetica: perché l’epigenoma diventa più variabile

Con l’età aumenta anche quella che viene definita epigenetic drift, o deriva epigenetica.

Il termine descrive la progressiva divergenza dei pattern epigenetici nel tempo. Cellule e individui che inizialmente possiedono configurazioni relativamente simili possono sviluppare profili sempre più differenti.

La deriva epigenetica può riflettere l’interazione tra:

errori nei sistemi che mantengono le marcature epigenetiche;
replicazione cellulare;
metabolismo;
infiammazione;
danno cellulare;
esposizioni ambientali;
selezione e variazione della composizione cellulare dei tessuti.

Non tutta la variabilità epigenetica associata all’età deve però essere considerata dannosa. Alcune modificazioni possono rappresentare adattamenti o conseguenze di altri cambiamenti biologici. Distinguere ciò che contribuisce causalmente all’invecchiamento da ciò che semplicemente lo accompagna rimane una delle principali sfide della ricerca.

RNA non codificanti e regolazione epigenetica

L’aggiornamento degli Hallmarks of Aging del 2023 include anche la deregolazione degli RNA non codificanti tra i fenomeni epigenetici associati all’età [3].

MicroRNA, long non-coding RNA e altre classi di RNA possono partecipare alla regolazione dell’espressione genica, della cromatina e di numerose vie cellulari.

Anche in questo caso il quadro è complesso: non esiste un singolo RNA dell’invecchiamento e le variazioni osservate dipendono fortemente dal tessuto e dal contesto biologico.

Alterazioni epigenetiche e instabilità genomica

Gli Hallmarks non agiscono in compartimenti indipendenti.

Il rapporto tra epigenoma e genoma ne è un esempio. L’organizzazione della cromatina influenza l’accessibilità del DNA ai sistemi di riparazione, mentre il danno al DNA e la sua riparazione possono modificare l’organizzazione epigenetica.

Esperimenti condotti in modelli murini hanno mostrato che l’induzione ripetuta di rotture del DNA e la conseguente risposta cellulare possono determinare perdita di informazioni epigenetiche e caratteristiche associate all’invecchiamento [6].

Questi risultati supportano una possibile relazione causale tra perdita di organizzazione epigenetica e alcuni fenotipi dell’invecchiamento nei modelli sperimentali. Non dimostrano però che lo stesso meccanismo possa essere manipolato nell’uomo per invertire l’invecchiamento.

Il legame con l’instabilità genomica mostra quindi perché sia più corretto considerare gli Hallmarks come una rete di processi interconnessi.

Orologi epigenetici ed età biologica

Uno degli sviluppi più importanti della ricerca epigenetica è rappresentato dagli orologi epigenetici.

Nel 2013 Steve Horvath sviluppò un modello basato sulla metilazione di specifici siti CpG capace di stimare l’età cronologica in numerosi tessuti umani [5].

Da allora sono stati sviluppati numerosi modelli.

Gli orologi di prima generazione sono stati costruiti soprattutto per prevedere l’età cronologica. Modelli successivi hanno invece incorporato parametri associati a mortalità, condizioni di salute o altri esiti legati all’età [7].

La differenza tra età stimata dal modello e età cronologica viene spesso indicata come accelerazione o decelerazione dell’età epigenetica.

Questo concetto ha contribuito allo sviluppo della ricerca sull’età biologica, ma richiede cautela interpretativa.

Gli orologi epigenetici misurano davvero l’invecchiamento?

Non completamente.

Gli orologi epigenetici rappresentano uno dei gruppi più interessanti di biomarcatori dell’invecchiamento, ma modelli diversi misurano aspetti differenti e possono produrre risultati non sovrapponibili.

Tra i limiti principali vi sono:

differenze tra tessuti e tipi cellulari;
influenza della composizione cellulare del campione;
eterogeneità delle piattaforme e degli algoritmi;
differenze tra popolazioni;
difficoltà nel distinguere marcatori causali da correlati dell’invecchiamento;
incertezza sul significato clinico di piccole variazioni nel tempo.

Le review più recenti sottolineano che gli orologi epigenetici sono strumenti potenti per la ricerca, ma permangono problemi statistici, biologici e interpretativi che ne limitano l’impiego come misura universale dell’invecchiamento individuale [7, 8]. Questo non ne esclude il possibile interesse in ambito medico: se selezionati e interpretati da professionisti con competenze specifiche, e integrati con anamnesi, parametri clinici, metabolici e altri biomarcatori, possono fornire informazioni complementari sul profilo biologico della persona. Il loro risultato non dovrebbe tuttavia essere interpretato isolatamente né considerato equivalente a una diagnosi o a una misura definitiva dell’età biologica.

Per approfondire il rapporto tra Hallmarks e misure biologiche dell’invecchiamento è utile distinguere questi strumenti dai più ampi marcatori molecolari dell’invecchiamento.

Le alterazioni epigenetiche sono reversibili?

Una caratteristica importante dell’epigenoma è la sua maggiore dinamicità rispetto alla sequenza del DNA.

Questo ha portato a studiare la possibilità di modificare alcuni pattern associati all’età.

In modelli cellulari e animali, esperimenti di riprogrammazione parziale hanno mostrato che determinate caratteristiche epigenetiche possono essere riportate verso configurazioni più simili a quelle osservate in cellule più giovani. Nello studio sperimentale di Yang e collaboratori, alcuni cambiamenti indotti nel topo sono risultati reversibili attraverso l’espressione di specifici fattori di riprogrammazione [6].

Il dato è scientificamente rilevante, ma deve essere interpretato nel suo contesto.

La riprogrammazione cellulare modifica profondamente l’identità e il funzionamento delle cellule e comporta rischi biologici significativi. Nell’uomo diversi interventi possono influenzare processi coinvolti nella regolazione epigenetica, ma non sono attualmente disponibili terapie validate con l’indicazione specifica di “ringiovanire” globalmente l’epigenoma. La possibilità di modulare un processo epigenetico e la dimostrazione di un ringiovanimento biologico dell’organismo sono quindi concetti differenti.

Epigenetica, ambiente e stile di vita

L’epigenoma risponde a numerosi segnali biologici e ambientali. Alimentazione, attività fisica, fumo, esposizioni ambientali, metabolismo e stress sono stati associati in diversi studi a variazioni epigenetiche.

Questo rende l’epigenetica uno dei possibili livelli attraverso cui ambiente e stile di vita interagiscono con il patrimonio genetico.

Non significa però che ogni abitudine produca una modificazione epigenetica prevedibile né che una singola sostanza possa correggere l’epigenoma dell’invecchiamento.

Nutrienti coinvolti nel metabolismo dei gruppi metilici, come folati e vitamina B12, e numerosi composti bioattivi possono influenzare processi cellulari collegati alla regolazione epigenetica. La distanza tra questa plausibilità biologica e la dimostrazione di un effetto clinico sulla longevità umana rimane però considerevole.

Per questo la nutrizione e longevità va interpretata principalmente attraverso la qualità complessiva della dieta e il profilo metabolico, non attraverso l’idea di singoli alimenti o integratori capaci di “riprogrammare” i geni.

Farmaci epigenetici: cosa sappiamo realmente

Esistono farmaci capaci di interferire con enzimi che regolano il DNA e la cromatina.

Inibitori delle DNA-metiltransferasi e delle istone-deacetilasi sono già utilizzati o studiati soprattutto in oncologia e in specifiche patologie.

Questo non significa che possano essere trasferiti alla medicina della longevità.

La modulazione farmacologica dell’epigenoma può coinvolgere numerosi geni e tessuti contemporaneamente, con effetti complessi e potenzialmente indesiderati. Per utilizzare strategie di questo tipo nell’invecchiamento fisiologico sarebbe necessario dimostrare non soltanto un cambiamento di marcatori molecolari, ma anche sicurezza a lungo termine e un beneficio clinicamente significativo.

Attualmente non esiste una terapia epigenetica approvata per rallentare l’invecchiamento umano.

Alterazioni epigenetiche e malattie associate all’età

Pattern epigenetici alterati sono stati osservati in numerose patologie cardiovascolari, metaboliche, neurodegenerative e oncologiche.

È però importante distinguere associazione e causalità.

Una variazione epigenetica osservata in una malattia può:

contribuire allo sviluppo della condizione;
essere conseguenza della malattia;
riflettere fattori di rischio condivisi;
dipendere da farmaci o cambiamenti metabolici;
essere influenzata dalla diversa composizione cellulare dei tessuti.

Per questo la presenza di un’associazione epigenetica non identifica automaticamente un nuovo bersaglio terapeutico.

Qual è oggi il significato clinico delle alterazioni epigenetiche?

Dal punto di vista della ricerca, le alterazioni epigenetiche rappresentano uno degli ambiti più promettenti per comprendere le differenze tra età cronologica, stato biologico e rischio di malattia.

Dal punto di vista clinico, il quadro è più prudente.

Alcuni marcatori epigenetici sono già utilizzati in specifici settori della medicina, soprattutto oncologica. Gli orologi epigenetici e altri strumenti dedicati all’invecchiamento sono invece ancora prevalentemente strumenti di ricerca e non sostituiscono anamnesi, esame clinico, fattori di rischio, parametri metabolici, capacità funzionale e altri indicatori validati.

Una misurazione molecolare acquisisce valore clinico quando sono dimostrate validità analitica, validità clinica e reale utilità nel modificare decisioni diagnostiche, preventive o terapeutiche.

Limiti delle conoscenze attuali

Le alterazioni epigenetiche sono associate in modo consistente all’invecchiamento, ma rimangono diverse questioni aperte.

Non tutti i cambiamenti epigenetici associati all’età sono necessariamente dannosi.
È difficile distinguere le alterazioni che contribuiscono causalmente all’invecchiamento da quelle che ne rappresentano una conseguenza.
I pattern epigenetici variano tra tessuti e tipi cellulari.
Un cambiamento di un orologio epigenetico non equivale automaticamente a un cambiamento dell’healthspan o del rischio clinico.
Gli effetti osservati negli esperimenti di riprogrammazione cellulare e nei modelli animali non possono essere trasferiti direttamente all’uomo, anche se rappresentano una base importante per lo sviluppo di nuove strategie di ricerca.
Diversi interventi possono influenzare processi coinvolti nella regolazione epigenetica, ma non sono attualmente disponibili terapie validate con l’indicazione specifica di correggere globalmente o “ringiovanire” l’epigenoma dell’organismo umano.

La ricerca recente sta migliorando rapidamente la capacità di analizzare l’epigenoma, anche a livello di singola cellula. La maggiore precisione delle misure e la possibilità di modulare alcuni processi epigenetici non eliminano però la necessità di interpretare questi dati nel contesto biologico e clinico appropriato.

Conclusioni

Le alterazioni epigenetiche rappresentano uno degli Hallmarks of Aging più studiati perché si collocano all’interfaccia tra informazione genetica, ambiente, metabolismo e identità cellulare.

Con l’età cambiano metilazione del DNA, modificazioni degli istoni, organizzazione della cromatina e sistemi regolati dagli RNA non codificanti. Alcune di queste variazioni possono contribuire alla perdita di funzione cellulare, mentre altre possono essere conseguenze o adattamenti associati al processo di invecchiamento.

Gli orologi epigenetici permettono oggi di osservare alcuni di questi fenomeni con una precisione impensabile pochi anni fa, ma non rappresentano ancora una misura definitiva dell’età biologica né uno strumento capace, da solo, di orientare la pratica clinica.

La prospettiva più interessante per la medicina della longevità non è quindi la promessa di “riprogrammare l’età”, ma comprendere meglio come epigenoma, genoma, metabolismo, ambiente e altri Hallmarks interagiscano nel determinare le traiettorie biologiche nel corso della vita.

Questa visione integrata dei processi che influenzano salute e invecchiamento è approfondita anche nel libro Longevi, sani e felici.

Domande frequenti sulle alterazioni epigenetiche

Che cosa sono le alterazioni epigenetiche?

Sono cambiamenti nei sistemi che regolano l’espressione e l’organizzazione dei geni senza modificare la sequenza del DNA. Comprendono variazioni nella metilazione del DNA, negli istoni, nella cromatina e nella regolazione da parte di RNA non codificanti.

Perché le alterazioni epigenetiche sono considerate un Hallmark of Aging?

Perché cambiamenti dell’epigenoma vengono osservati con l’età e numerosi studi sperimentali indicano che la regolazione epigenetica interagisce con altri meccanismi dell’invecchiamento. Non significa però che ogni modificazione epigenetica sia necessariamente una causa dell’invecchiamento.

Che cos'è un orologio epigenetico?

È un modello statistico che utilizza pattern molecolari, soprattutto di metilazione del DNA, per stimare l’età o caratteristiche associate all’invecchiamento. Modelli diversi misurano aspetti differenti e il risultato non equivale automaticamente all’età biologica complessiva di una persona.

È possibile modificare o ringiovanire l'epigenoma?

Alcuni esperimenti in cellule e modelli animali mostrano che determinate caratteristiche epigenetiche possono essere modificate o parzialmente ripristinate. Anche nell’uomo diversi interventi possono influenzare processi coinvolti nella regolazione epigenetica. Non sono però attualmente disponibili terapie validate con l’indicazione specifica di “ringiovanire” globalmente l’epigenoma dell’organismo umano, e la modificazione di singoli marcatori non equivale alla dimostrazione di un ringiovanimento biologico.

Quali sono i principali meccanismi epigenetici?

Tra i principali meccanismi epigenetici vi sono la metilazione del DNA, le modificazioni degli istoni, tra cui acetilazione, metilazione, fosforilazione e ubiquitinazione, il rimodellamento della cromatina e la regolazione mediata dagli RNA non codificanti. Attraverso meccanismi differenti, questi processi contribuiscono a regolare l’accessibilità del DNA e l’espressione dei geni senza modificarne la sequenza.