come l'ambiente parla ai nostri geni e quindi al nostro ... - Infinitamente

L’epigenetica: come l’ambiente parla
ai nostri geni e quindi al nostro
cervello
Nicoletta Berardi
Università degli Studi di Firenze
Istituto di Neuroscienze del CNR, Pisa

Svolgere attività diverse significa attivare aree
cerebrali diverse
Ascoltare parole
Pronunciare parole
Osservare un volto attraente

I neuroni sono tra di loro connessi attraverso
strutture specializzate dette sinapsi.
dendriti
Neurone presinaptico
nucleo
soma
assone
Neuroni
postsinaptici
L’insieme di un gruppo di neuroni connessi
sinapticamente fra di loro costituisce un circuito
nervoso.

La complessità del cervello
100 miliardi di neuroni
Fino a 1000 ingressi sinaptici sul singolo neurone
600 milioni di connessioni/mm 3
Il nostro comportamento, pensare, agire, percepire, immaginare o
ricordare, dipende dalla attivazione coordinata di molteplici circuiti
nervosi, che possono includere anche neuroni situati in aree
cerebrali differenti.

Come si sono formati i diversi circuiti neurali
durante lo sviluppo?

Alla specificazione genica va il ruolo di
guidare i processi iniziali dello sviluppo
cerebrale e quello della formazione iniziale
delle connessioni neurali.

All’esperienza specifica dell’individuo ed
alle sue interazioni con l’ambiente va il
ruolo di guidare le fasi finali dello sviluppo
dei circuiti cerebrali, conducendoli allo stato
maturo e quindi guidando lo sviluppo delle
diverse espressioni del comportamento in
maniera individuo-specifica.
L’esperienza continuerà poi a modificare i
circuiti cerebrali anche dopo la fine dello
sviluppo, anche se in maniera meno
pronunciata

Plasticità neurale: capacità dei circuiti nervosi di modificarsi,
in maniera funzionale e morfologica, in risposta
all’esperienza
Cosa cambia nel circuito?
L’efficacia delle connessioni sinaptiche si modifica in risposta ai
cambiamenti nell’attività elettrica che l’esperienza induce nel
circuito. La plasticità è presente durante lo sviluppo, dove è
particolarmente elevata e consente all’esperienza di guidare la
maturazione dei circuiti nervosi, ma anche nell’adulto, dove, ad
esempio, è alla base dei fenomeni di apprendimento e memoria
Ingresso
presinaptico
Risposta
postsinaptica
Esperienza
(cambio di attività nel circuito)
Ingresso
presinaptico
Risposta
postsinaptica
o

La plasticità obbedisce a “regole” che
stabiliscono se un determinato
cambiamento di attività elettrica evocata
dall’ambiente determina un cambiamento
nell’efficacia sinaptica e se tale
cambiamento è un potenziamento o una
depressione dell’efficacia sinaptica.

I passi che conducono ad una modifica, funzionale e
morfologica, duratura dei circuiti neurali in risposta
all’esperienza coinvolgono diversi fattori
Il recettore NMDA funge da detettore di attività correlata fra il terminale presinaptico ed il
terminale postsinaptico
Livelli di inibizione
Protein chinasi (ERK, PKA)
Fattori di trascrizione (CREB)
Rimodellamento della cromatina
con conseguente cambiamento a
lungo termine nella trascrivibilità di
specifici geni
Fattori neurotrofici (NGF, BDNF)
Neuromodulatori (Acetilcolina, Noradrenalina)
Componenti della matrice extracellulare e
proteasi che li degradano

La plasticità obbedisce a regole “elettriche” e
molecolari e può essere maladattiva
(esempi: arto fantasma)

Esperienza e sviluppo del cervello: esempi

La visione del bambino è molto immatura alla
nascita

Lo sviluppo dell’acuità visiva (e della visione in generale)
richiede l’esperienza
Acuità visiva normalizzata
0.5
0.0
Uomo
0 20 40
Età (mesi)
Acuità visiva in assenza di
esperienza visiva dalla
nascita
Sviluppo
tipico

Normalmente i compiti di discriminazione tattile comportano l’uso
e la conseguente attivazione dell’area Somatosensoriale. La
lettura dell’alfabeto Braille nei ciechi dalla nascita attiva la
corteccia visiva primaria: plasticità intermodale.
Pascual Leone et al., 1995

L’esperienza è particolarmente efficace nel
modificare i circuiti nervosi durante periodi
critici dello sviluppo

Dopo la fine dei periodi critici l’esperienza non è più in
grado di guidare lo sviluppo di una funzione
Acuità visiva normalizzata
1.0
0.5
0.0
Uomo
0 20 40 60 80 100
Età (mesi)
400 420
Acuità visiva a tre anni
Acuità visiva in assenza di
esperienza visiva dai tre anni
Fine et al., (2003)

Cataratte monoculari neonatali, difetti di refrazione o
strabismo non corretti precocemente durante lo sviluppo
determinano ambliopia dell’occhio deprivato e forte
riduzione della visione binoculare.
S=10 D=4 C=20
Table at Snellen Fraction is:
4 m S/10 or 20/C
S=1.99 D=20 C=100
S=2.5 D=16 C=80
S = 3.2 D = 12.5 C = 6 3
S=4 D=10 C=50
S=5 D=8 C=40
S= 6.3 D= 6.3 C = 32
S=8 D=5 C=25

Perché la plasticità declina con la chiusura dei
periodi critici?
Perché la elevata plasticità dei periodi critici ha
esaurito il suo scopo, che era quello di consentire
all’esperienza di guidare la maturazione dei
circuiti neurali

Man mano che l’esperienza guida la
selezione delle connessioni neurali,
determinando la maturazione di un circuito
e della corrispondente funzione, il circuito
e la funzione diventano sempre meno
modificabili dall’esperienza.
“Freno” sulla plasticità

Anche se l’esperienza appropriata per lo sviluppo
di una funzione viene infine fornita ad un
soggetto, se questo avviene DOPO la fine del
periodo critico per lo sviluppo di quella funzione,
tale sviluppo potrebbe non avvenire affatto, o se
avviene, non procederà come avrebbe proceduto
se l’esperienza appropriata fosse stata fatta
durante la finestra temporale in cui avrebbe
dovuto essere fatta.
Qualcosa è andato perso, le potenzialità non
sono state espresse

E’ possibile correggere il risultato di
uno sviluppo scorretto dopo la fine dei
periodi critici?
Potenziare la plasticità corticale nell’adulto
agendo su fattori che controllano la chiusura dei
periodi critici e limitano la plasticità corticale
nell’adulto

Fattori che controllano la chiusura dei
periodi critici e limitano la plasticità corticale
nell’adulto:
Livelli di inibizione intracorticale
Fattori neurotrofici (BDNF)
Componenti della matrice extracellulare (CSPGs)
Proteine della guaina mielinica
Rimodellamento della cromatina

Promuovere il recupero dall’ambliopia nell’adulto
Birth P21-
P23
MD
Trattamento per promuovere
l’acetilazione degli istoni
trattamento di controllo
Putignano et al., 2006
> P120
RS
Valutazione visiva

Periodi critici nello sviluppo del sistema serotoninergico
per l’emergenza di un fenotipo “ansioso”
La presenza e la funzionalità del recettore 1A per la serotonina (5-HT 1A ) è centrale al
coinvolgimento del sistema serotoninergico nel comportamento ansioso.
E’ stato suggerito che una ipofunzionalità di questo recettore durante un particolare
periodo dello sviluppo postnatale possa produrre una alterazione permanente del
comportamento ansioso, cosa che una equivalente ipofunzionalità nell’adulto non
causerebbe.

Cure parentali: effetti a lungo termine
Un elevato livello di cure parentali produce, in modelli
animali, una prole meno soggetta agli effetti deleteri
dello stress e questi effetti si estendono alla vita adulta
della prole.

Effetti a lungo termine della carenza di cure
materne o di esposizione precoce ad altro tipo
di esperienze avverse
Nel roditore:
Neofobia
Alterata risposta allo stress
Comportamento ansioso
Elargizione ridotta di cure materne (femmine)
Fattori di rischio ambientale per lo
sviluppo di disturbi del comportamento

L’ipotesi della “genetic moderation” implica che le
differenze fra individui, che hanno origine nella
sequenza del DNA, comportano differenze fra
individui nella loro resilienza o vulnerabilità ai
fattori di rischio ambientali per l’insorgenza di
condizioni patologiche fisiche e mentali.
Caspi et al., (2002)

Indice composto di comportamento
antisociale (Z score)
Bassa
attività della
MAOA
Alta attività
della MAOA
Nessuno Pobabile Severo
Maltrattamento durante l’infanzia
Valori medi dell’indice
composto del
comportamento
antisociale in funzione
della attività della
MAOA e della storia di
maltratamento infantile.
The antisocial behavior composite is
standardized (z score) to a M = 0 and
SD = 1; group differences are
interpretable in SD unit differences
(d). A test of the interaction between
MAOA activity and maltreatment
revealed a significant G × E
interaction (P = 0.01).
Genotipo a rischio +
ambiente a rischio
L’effetto del maltrattamento subito nel corso dell’infanzia sul
comportamento antisociale è significativamente minore tra soggetti con
alta attività della MAOA che in soggetti con bassa attività della MAOA
Caspi et al., 2002

Recentemente, è stato dimostrato nei
roditori che il comportamento materno
può produrre, attraverso meccanismi
epigenetici, alterazioni stabili nella
trascrivibilità di geni coinvolti nello
spegnimento della risposta allo stress.

L’azione sulla trascrivibilità di geni
potrebbe essere un processo intermedio
che “inscrive” esperienze ambientali
dinamiche su un genoma fisso,
producendo una alterazione STABILE
del fenotipo.

Mapping chromosomal regions with differential DNA methylation
in MZ twins by using comparative genomic hybridization for
methylated DNA
Fraga et al., 2005

Non è solo il genotipo a determinare un fenotipo più
o meno vulnerabile verso i fattori di rischio
ambientali ma anche l’ambiente stesso
… Epigenetics represents a third general type of mechanism that likely
contributes to each individual's unique vulnerability or resistance to a psychiatric
disturbance.[…] Epigenetic changes offer a mechanism
by which environmental experiences can modify gene function in the absence of
DNA sequence changes …..
Nestler, E

STIMOLO
Il “sistema dello stress”: Asse ipotalamo-ipofisi-surrene
IPOTALAMO
CRF
MIDOLLARE
DEL SURRENE
-
IPOFISI
ACTH
Ippocampo
Recettori per i
glucocorticoidi
Ipotalamo
CRH
+
Ipofisi
ACTH
+
Corticale del
surrene
cortisolo
-
ADRENALINA
-
CORTECCIA
SURRENALE
Glucocorticoidi
Schema dell’asse
ipotalamo-ipofisighiandola
surrenale per
il rilascio di
glucocorticoidi in
risposta ad uno stimolo
stressogeno (in alto) e
dei meccanismi di
feedback (in basso).

Esperienze precoci,
epigenetica e risposte allo
stress nell’adulto
GR=recettori per i glucocorticoidi
Female rats show a range of maternal behaviours, from low levels of licking and other types of grooming of their pups to high levels.
These differences during early life can give rise to life-long differences in stress responsivenessa | Receiving low levels of grooming
results in low levels of the transcription factor nerve growth factor-inducible protein A (NGFI-A; also known as EGR1) in the
hippocampus, which permits increased methylation and repression of the glucocorticoid receptor (GR) gene in this brain region.
Lower levels of GR expression in the hippocampus contribute to several traits in adulthood: higher levels of baseline and post-stress
glucocorticoid (corticosterone) secretion, higher levels of anxiety-like behaviour and, in females, lower levels of grooming behaviour
towards their own offspring. b | The offspring of high-grooming mothers have higher levels of hippocampal NGFI-A, resulting in less
methylation of the GR gene and higher GR expression in the hippocampus. In adulthood this is associated with lower levels of
baseline and post-stress corticosterone secretion, low anxiety-like behaviour and, in females, high levels of grooming of offspring.

Possiamo intervenire nell’adulto per ridurre gli effetti deleteri
della carenza di cure materne?
Eliminazione tramite trattamento farmacologico (TSA) degli effetti delle basse
cure materne sulla espressione dei recettori per i glucocorticoidi nell’ippocampo
e della risposta allo stress
a) quantitative densitometric analysis (relative optical density, ROD) of GR IR levels from samples (n = 5 animals/group; *P < 0.001).
(b) Plasma corticosterone responses (mean s.e.m.) to a 20-min period of restraint stress (solid bar) in vehicle- and TSA (100
ng/ml)-treated adult offspring of high- or low-LG-ABN mothers (n = 10 animals/group; *P < 0.01).

Modelli animali (adulti) di resilienza ad eventi
stressanti

Nestler ha cercato di sviluppare un modello animale per
lo studio del fenomeno della resilienza utilizzando un
paradigma di chronic social defeat.
Viene creata una situazione di “bullismo”, ovvero un
animale (topo) viene introdotto nel territorio di un topo
dominante. Questo conduce ad episodi di aggressione
che sfociano nella sottomissione dell’intruso.

5
Questo protocollo viene
ripetuto una volta al giorno
per dieci giorni consecutivi.
Questo protocollo intensivo produce una forte esperienza di
subordinazione e di sconfitta.
In seguito a tale protocollo, gli animali mostrano
segni di “depressione” (aneidonia, perdita di peso,
disturbi del sonno, ritiro sociale)

Sintomatologia
depressiva in
animali
sottoposti a
social defeat
correla con
modifiche
epigenetiche
nell’ippocampo

Questi studi indicano che modifiche
epigenetiche sono alla base della plasticità
neurale a lungo termine (in questo caso
maladattiva) nell’ippocampo che possono
essere alla base dei cambiamenti duraturi
nel comportamento (nella personalità?)
indotti da stress cronico.

Sono queste modifiche epigenetiche, che
rimangono a lungo come traccia
dell’esperienza negativa e che cambiano il
modo in cui un soggetto risponde ad eventi
successivi all’episodio di stress, che
vengono definiti “molecular scars” (cicatrici
molecolari), invisibili all’analisi anatomica
ma potenti nell’azione.

A
Usando un approccio quantitativo
per valutare le interazioni sociali
dopo il protocollo di sconfitta
sociale cronica (A) Nestler ha
dimostrato che non tutti i soggetti
sono ugualmente danneggiati dal
periodo di stress sociale (B).

Gli animali sottoposti a
sconfitta ripetuta si dividono
in coloro che mostrano deficit
successivi nelle interazioni
sociali (“suscettibili” o
“vulnerabili”) e coloro che
non li mostrano (resilienti).
Krishnan et al., 2008
Following repeated social subordination, defeated mice (black) are tested for their
display of social avoidance toward an unfamiliar aggressor (white mouse in cage. This
photograph serves to illustrate how some mice adopt a “freezing” posture and position
themselves at a distance (“susceptible”), while others actively explore and interact with
the aggressor (“unsusceptible”). Such a phenotypic classification is long
lasting and cannot be explained by inherent differences in anxiety-related behavior.

Segregazione degli animali sconfitti in vulnerabili e resilienti sulla
base di un indice “rapporto di interazione,” che rappresenta la
preferenza per l’interazione sociale (B).

Studi successivi hanno mostrato che
modifiche specifiche in strutture corticali e
sottocorticali del sistema limbico (sistema
delle emozioni, della motivazione, della
soddisfazione, dell’assegnazione di valori a
oggetti, eventi, persone) sono selettivamente
associate con il fenotipo vulnerabile.
Esperienza pregressa influenza la
vulnerabilità allo stress?

L’assunzione di sostanze d’abuso aumenta la
vulnerabilità al social defeat (riduce la resilienza)
Questo avviene
attraverso
meccanismi
epigenetici
Altro esempio di plasticità
maladattiva
Covington et al., 2011

In soggetti con induzione farmacologica
delle stesse modifiche epigenetiche
provocate dall’assunzione della cocaina, si
ha una aumentata vulnerabilità, ovvero una
risposta in senso di ritiro sociale e di
plasticità maladattiva nel sistema limbico
anche senza l’azione “sensibilizzante” della
cocaina

Il concetto di resilienza
Resilienza si riferisce alla capacità di un individuo di sfuggire alle
conseguenze negative (ad esempio, a livello del comportamento
sociale o del comportamento ansioso) di situazioni di stress che
potrebbero compromettere il suo benessere fisico e psicologico.
La resilienza negli esseri umani rappresenterebbe un processo
attivo, adattivo, e non semplicemente l’assenza di risposte
patologiche che hanno luogo in individui più vulnerabili.
(Geni x ambiente) + epigenetica

Atraverso modifiche epigenetiche l’ambiente
cambia la risposta del cervello all’ambiente
Geni
Epigenetica
Resilienza allo stress
Ambiente
Nestler
2011

Referenze
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24;54(4):508-10
Sale, A, Berardi, N, Maffei L. (2009). Enrich the environment to empower the brain.
Trends Neurosci. Apr;32(4):233-9.
Zhang TY, Labonté B, Wen XL, Turecki G, Meaney MJ. (2013). Epigenetic mechanisms
for the early environmental regulation of hippocampal glucocorticoid receptor gene
expression in rodents and humans. Neuropsychopharmacology. Jan;38(1):111-23.
Tsankova N, Renthal W, Kumar A, Nestler EJ. Epigenetic regulation in psychiatric
Disorders (2007) Nat Rev Neurosci May;8(5):355-67.
Feder A, Nestler EJ, Charney DS (2009). Psychobiology and molecular genetics of
resilience. Nat Rev Neurosci. 2009 June; 10(6): 446–457.