il paradigma epigenetico Burgio Ernesto - siass

3
2
Evo – Devo ? Devo – Evo !
3
4
4
DOHAD X rays
3
Ambiente e malattie rare:
il paradigma epigenetico
EDCs
CEM
Metals
Viruses
Xenobiotics
6
1
1
5
3
Environment Dynamic (Epi)-Genome
Neolamarckian Paradigm
2
Ernesto Burgio
ISDE Italy
Scientific Committee

• G. Fanconi “ Non vi sono
malattie nuove.. nuovo è il modo
di interpretarle”
(Burgio-Notarangelo
Malattie Maestre, 2002
pag. 170)
Cosa è “MALATTIA” ?
• M. Grmek: da Vesalio e Sydenham malattia
come quadro sintomatologico ben definito =
nuova ontologia
Viruses
PATHOCENOSIS (cfr. biocenosis)
Microbes
Systemic (micro)vascular
phlogosis
“changing
environment”
Natural Immunity
Gut Ecosystem
Immuno-systems
Kawasaki Disease
(systemic endothelitis)
Biosphere
tolerance
Adaptive Immunity
Atherosclerosis
(systemic endothelitis)
Coeliac Disease
Fluid
Genosphere
hypersensitivity
type I
type II
Autism (?)
“Neurodegenerative” diseases
Genetic
background
type 0
type III
type IV
TLRs

Che la vita
prenatale non sia
completamente
protetta nel
“microambiente
uterino”
è conoscenza
acquisita da tempo.
Ma solo nell’ultimo
decennio sono
state messe a
fuoco le modalità
di esposizione
della madre
e del prodotto del
concepimento
a tutta una gamma
di agenti..
in grado di
modificare
l’epigenoma
fetale
e di alterare la
programmazione
di tessuti ed
organi..
Da circa venti anni si va delineando un modello patogenetico
potenzialmente universale… per tutta una serie di malattie
cronico-degenerative..
Frederica Perera, DrPH
Mailman School of Public Health and Columbia
Center for Children’s Environmental Health (4)

Fino a poco fa i cambiamenti genetici erano raggruppati in:
mutazioni cromosomiche e mutazioni geniche
Prof. Roberto Barale UniPisa

Here
we are

Langdon Down già nel 1867 descrisse il mongolismo………..
che nel 1959 divenne trisomia 21 con Jerome Lejeune

Chromosome Number Variations
• Except for the X and Y, humans don’t survive with only
1 copy of any chromosome. Also, 3 copies is lethal in
most cases. Aneuploidy is a major cause of
spontaneous abortion in early pregnancy.
• Down Syndrome is the most common human
aneuploidy. It is also called trisomy-21, meaning 3
copies of chromosome number 21.
• People with Down’s have a characteristic appearance:
flattened face, turned up nose, epicanthal folds at the
outer corners of the eyes. In most cases the diagnosis
is made immediately at birth. Heart defects, protruding
tongue, and mental retardation are also found in most
people with Down’s. Occurs about 1 in 1000 births.
• There are also translocational and mosaic forms of
Down syndrome.
• Translocational involves a chromosome structure
change (2 chromosomes get hooked together) and is
inherited. With translocational Down’s, if one child in
a family has it, others are likely to also get it. Occurs in
about 5% of Down’s cases.
• Mosaic Down’s means having some cells with trisomy
21 and other cells normal. The person’s physical
appearance and mental condition depends on exactly
which cells are which. About 3% of all Down syndrome
cases.

Some Sex Chromosome Aneuploidies
• Non-disjunction can also result
in a person with 2 X’s and a Y:
47,XXY. This is called Klinefelter
Syndrome.
• The Y chromosome makes a
person with Klinefelter’s male:
possessing testes.
• Symptoms: female body hair
pattern, breast development,
sterile, can be some
developmental delay or
retardation, especially for verbal
skills.
• Often not diagnosed, or
diagnosed only accidentally.
• Most symptoms are helped by
testosterone treatment.

• Also called XO, because people
with Turner’s have only 1 X
chromosome: 45, X.
• No Y means Turner’s people are
female. However, no ovaries
develop, so they don’t undergo
the body changes of puberty and
they are sterile.
• Hormone treatment cures all but
the sterility.
• Other symptoms: short stature,
webbed skin and low hairline at
the neck, some oddities of spatial
perception. Not retarded.
Turner Syndrome

Chromosome Structure Variations
• Chromosomes can be broken by X-rays and by
certain chemicals. The broken ends spontaneously
rejoin, but if there are multiple breaks, the ends join
at random. This leads to alterations in chromosome
structure.
• Problems with structural changes: breaking the
chromosome often means breaking a gene.
Since most genes are necessary for life, many
chromosome breaks are lethal or cause serious
defects.
• Also, chromosomes with structural variations often
have trouble going through meiosis, giving embryos
with missing or extra large regions of the chromosomes.
This condition is aneuploidy, just like the chromosome
number variations, and it is often lethal.
• The major categories: duplication (an extra copy of a
region of chromosome), deletion (missing a region of
chromosome), inversion (part of the chromosome is
inserted backwards, and translocation (two different
chromosomes switch pieces).

1
Prader-Willy syndrome
1) …a deletion in the PWS region on chromosome 15 that is normally
inherited from the father (present in about 70 percent of patients)
2) 2 both chromosomes 15 are inherited from the mother and the PWS
region from the father is missing (25 percent of patients)
3) a defect in methylation inherited from the father (less than 5 percent ):
3
Imprinting
Ipotonia infantile, ritardata età ossea e
bassa statura, mani e piedi piccoli,
iperfagia e obesità ingravescente,
ipogonadismo e ipogenitalismo, ritardo
mentale di medio grado, facies
caratteristica. Descritta nel 1956,
da Prader, Willi e Fanconi. Solo nel
1981 fu evidenziata una delezione sul
braccio lungo del cromosoma 15…
in this case, the genes in the PWS critical region on the chromosome 15
inherited from the father are inactivated, similar to those of the mother.
In 2 si ha una disomia materna (entrambi i cromosomi 15 sono cioè di origine
materna): in un certo senso si ha dunque una LOH, perdita di eterozigosi
1
2
3
Prof. Roberto Barale UniPisa

Sindrome di Angelman
• La sindrome fu scoperta e descritta per la prima volta
nel 1965 da Harry Angelman (1915-1996), un
pediatra inglese che lavorava in USA.
• Trovandosi a Verona, durante la visita al museo di
Castelvecchio, osservando un ritratto del pittore
500esco Giovanni Francesco Caroto, che raffigurava
un giovane sorridente che teneva in mano il disegno
di una bambola (o di un burattino) intitolato
“Fanciullo con pupazzo”…
• si ricordò di tre giovani pazienti, che seguiva da
tempo perché affetti dallo stesso quadro clinico,
sino ad allora mai descritto, caratterizzato da crisi
convulsive, atassia con movimenti a scatti degli arti
e del tronco, grave dislessia, ritardo psico-intellettivo
con una particolare disposizione all’allegria,
iperattività e ipereccitabilità e con deficit di
attenzione.
• Si decise quindi a descrivere la sindrome con il
termine Puppet Children (letteralmente "ragazzi
burattino").
Angelman H. "Puppet" children: a report on three cases. Dev Med Child Neurol 1965;7:681-8

• La sorpresa maggiore la si ebbe quando si scoprì che anche all’origine
di questo secondo quadro sindromico, notevolmente differente dal
primo, c’era, almeno nella gran parte dei casi, una delezione della stessa
identica regione cromosomica: la regione 15q11-q13.
• Studi genetici via, via più approfonditi e, soprattutto, metodiche sempre
più sensibili, permisero di comprendere come all’origine delle due
sindromi non ci fossero mutazioni differenti a carico degli stessi geni
(e quindi semplicemente un eccesso o carenza o altre variazioni a carico
degli stessi prodotti genici), bensì mutazioni a carico di geni diversi,
fisicamente associati nello stesso locus.

Angelman syndrome
1) 1 A small deletion of part of chromosome 15 : this accounts for about 75 % of
cases
2) 2 Paternal disomy - about 2-3% of cases result from inheriting two copies of
chromosome 15 from the father (normally imprinted)
3) 3 Mutation of the UBE3A gene in 15 %: there's a risk the condition will recur in
other children born to the mother
4) 4 Translocation involving chromosome 15 in a few cases
5
An error in the imprinting of chromosome 15 in about 5% of cases
Prof. Roberto Barale UniPisa

In pratica si comprese che:
-se nella maggior parte dei casi di Sindrome di Prader-Willi la
microdelezione eliminava alcuni geni-chiave presenti nella regione
15q11-13 del cromosoma di derivazione paterna (mentre i geni
omologhi di derivazione materna non sono espressi perché
imprintati, cioè metilati e, di conseguenza non espressi) e nella gran
parte dei casi privi di delezione, si ha una disomia uniparentale
materna (con i geni chiave comunque imprintati e quindi silenti).
- la situazione nella Sindrome di Angelman è in un certo senso
speculare: qui la regione deleta é di origine materna (eliminazione
di alcuni geni normalmente espressi) mentre nella gran parte dei casi
privi di delezione si registra una disomia uniparentale paterna (e in
questo caso sono i geni “paterni” a essere imprintati e quindi
silenti).

• L’importanza di queste acquisizioni fu notevole, anche perché permise di meglio
comprendere alcuni aspetti e meccanismi fondamentali dell’imprinting genetico.
• Alcuni ricercatori dimostrarono infatti l’esistenza nel locus 15q11-13 di un vero e
proprio centro di regolazione dell’imprinting, in grado di regolare in cis un intero
cluster di geni imprintati, probabilmente unico nell’intero genoma umano
(solo di recente la scoperta di variazioni dell'imprinting nella Sindrome di
Beckwith-Wiedemann ha fatto ipotizzare l’esistenza di un centro di imprinting
anche sul cromosoma 11).
• Ma soprattutto si comprese che l’imprinting genomico rappresenta una forma
particolare di eredità non-mendeliana: cioè un’ulteriore eccezione al principio
dell'equivalenza genica ( secondo cui geni omologhi si trasmettono alla prole
indipendentemente dalla loro provenienza da un particolare genitore), al pari di
quanto accade per l’eredità diaginica (legata al cromosoma X) e per l’eredità
mitocondriale (anche questa diaginica, per la quasi totalità).

Struttura e funzione del centro di imprinting

Che ci fosse qualcosa di strano……a seconda dei genitori… lo si era capito da un pezzo…
…. l’imprinting genomico rappresenta una forma particolare di eredità nonmendeliana:
cioè un’ulteriore eccezione al principio dell'equivalenza genica
Prof. Roberto Barale UniPisa

L’imprinting genomico è il prodotto di marcature specifiche (essenzialmente metilazioni delle citosine)
a carico del DNA (o della cromatina) delle cellule germinali, marcature che, acquisite al momento della
fecondazione, o immediatamente dopo, sono in grado di indurre una sorta di attività/espressività differenziale
dei due alleli parentali

DNA
double
helix
(2-nm
diameter)
Tight helical fiber
(30-nm diameter)
“Beads on
a string”
Metaphase chromosome
Histones
Nucleosome
(10-nm diameter)
Supercoil
(200-nm diameter)
700
nm
Euchromatin
Heterochromatin
Campbell NE et al (Eds):
Biology: Concepts & Connections
4 th Edition, 2003

Interphase chromosomes Mitotic chromosome

The Epigenetic Players
ON
Euchromatin
DNA
Methylation
“The study of heritable changes in gene function that occur
without a change in the DNA sequence”
1
Chromatin
Remodeling
machinery
+
2
Histones
modification
OFF
+ silenziamento genico 3
ad opera di RNA non codificanti
Heterochromatin
Mentre le modificazioni istoniche rappresentano
un processo dinamico ( Codice Istonico),
la metilazione del DNA è considerata un evento
stabile ed ereditabile
Fraga et al., PNAS. 2005.

The
Histone tails
are a critical
determinant
of chromatin structure

Histone Tails
are subject to
a variety of
covalent
modifications
Histone Code”
hypothesis:
modifications
of the Histone tails
act as marks read
by other proteins
to control the
expression
or replication of
chromosomal regions
E.g. generally,
Histone Acetylation
is associated with
transcriptionally
active genes
Deacetylation
is associated with
inactive genes
(= gene silencing)

DNA methylation
Covalent modification of the DNA is also for gene silencing human cells
Most genes have GC rich areas of DNA in their promoter regions.
These are referred to as CpG islands.
Methylation of the C residues within the CpG islands leads to gene silencing
(highly unstable base)

Cellular Differentiation: an Epigentic process
In developmental biology, cellular
differentiation is the process by which a less
specialized cell becomes a more specialized
cell type. Differentiation occurs numerous
times during the development of a
multicellular organism as the organism
changes from a single zygote to a complex
system of tissues and cell types.
Differentiation is a common process in adults
as well: adult stem cells divide and create
fully-differentiated daughter cells during
tissue repair and during normal cell
turnover. Cell differentiation causes its size,
shape, polarity, metabolic activity, and
responsiveness to signals to change
dramatically.
These changes are largely due to
highly-controlled modifications in gene
expression. With a few exceptions, cellular
differentiation almost never involves a
change in the DNA sequence itself.
Thus, different cells can have very different
physical characteristics despite having the
same genome.
Cellular differentiation during development
can be understood as the result of a gene A
regulatory network. A regulatory gene
and its cis-regulatory modules are nodes in
a gene regulatory network; they receive
input and create output elsewhere in the
network . The systems biology approach to
developmental biology emphasizes the
importance of investigating how developmental
mechanisms interact to produce predictable
patterns (morphogenesis).
A
B

Fetal Programming
Organismo adulto = Clone di miliardi di cellule
derivanti da uno zigote: uguali sul piano genetico
differenti sul piano epi-genetico
Differentiation

Epigenetics has been defined as the study of stable alterations in gene expression potentials that arise during development and cell
proliferation….. In sexual reproduction, a new diploid genome is created by the fusion of two haploid genomes.
The subsequent expression of that genome into a functional organism is governed by a "program.“
There are several examples of epigenetic control of gene expression, of which DNA methylation is likely the best characterized.
2
Epigenetic Reprogramming and Embryonic Development
Differentiation: from totipotent through pluripotent to differentiated CELLS… -------------
Mammalian embryos experience major epigenetic reprogramming primarily at two times in their development.. One of these takes place
soon after fertilization, and is referred to as preimplantation reprogramming; the other during gametogenesis
1
3
1
=
3
Gametogenic
reprogramming:
epigenetic marking
of the primordial
germ cells that will
become the sperm
or eggs of this new
individual

Epigenetic perturbations early in life
Epigenetics and human disease

Negli anni ‘50 fu realizzato e immesso sul mercato quello che sembrava il farmaco ideale, il
Contergan© (Distaval©, tra i molti nomi commerciali che assumeva). Era un sedativo
meraviglioso, privo dei pericolosi effetti collaterali dei barbiturici. Ne potevi prendere un’intera
confezione e non rischiavi la morte per overdose. Era talmente blando che veniva consigliato
alle donne in gravidanza alle quali per giunta era in grado di togliere la nausea mattutina.
Il nome molecolare della mirabolante sostanza era imide dell’acido n-ftalil-glutammico, ovvero
talidomide
http://www.mentecritica.net/sanita-italiana-come-ti-riciclo-il-farmaco-sporco-il-caso-del-bupropione/informazione/lameduck/233
talidomide

Diethylstilbestrol

1
2
3

• Fu ben presto evidente che, essendo il DES rapidamente metabolizzato
ed eliminato dall’organismo, le suddette alterazioni persistenti, che
conseguivano all’esposizione fetale al farmaco, non potevano essere
interpretate come effetti tossici diretti della molecola …
• d’altronde non sembravano esserci particolari alterazione genetiche..
• Solo in seguito si sarebbe scoperto che l’esposizione al DES durante
periodi critici dello sviluppo ontogenetico altera in modo permanente la
programmazione (epigenetica) dei tessuti-bersaglio degli estrogeni,
aprendo la strada a degenerazioni benigne e maligne degli stessi tessuti
(in particolare per ciò che concerne l’apparato riproduttivo).
• Il DES altera infatti l’espressione in utero di numerosi geni coinvolti nella
programming tissutale (Wnt7a, Hoxa9, Hoxa10, Hoxa11), determinando
cambiamenti nell’architettura e morfologia dei tessuti [(un’azione che
richiede l’attivazione del recettore-α degli estrogeni (ERα)].

Diethylstilbestrol
J Pediatr Hematol Oncol 2003; 25:635-636
DES Daughters, are
at an increased risk
for clear cell
adenocarcinoma
(CCA) of the vagina
and cervix,
breast cancer
(2.5 fold increase
in after age 40)
reproductive tract
structural
differences,,
pregnancy
complications
infertility and autoimmune
disorders…
but the effect of DES
might be
transgenerational

L’epigenoma sarebbe l’interfaccia e il tramite tra le informazioni provenienti dall’ambiente e il genoma …
COSA SUCCEDE SE L’AMBIENTE CAMBIA IN MODO TROPPO RAPIDO IN RELAZIONE ALLA
CAPACITA’ ADATTATIVA DELL’(EPI)GENOMA
Drammatica
trasformazione
dell’ambiente
e del microambiente
uterino

9
Dovremmo rappresentare l’”ambiente “ come un flusso
continuo di informazioni semplici - i fotoni: singoli pacchetti di
E = M = Informazione - o complesse (molecole organiche …
virus… etc..) in grado di interagire con le cellule (recettori
membranari proteine di trasduzione (epi)-genoma…)…
4
HERVs
“FLUID EPI-GENOME”
3
CEM
1
TCDD
2
Viruses
SYNERGISM ?!

Ecosphere - Biosphere
Bio-Geochemical Cycles
EDCs
POPs
Carbon Cycle
Nitrogen Cycle
Steroid Cycle
POPs Cycle
Rivoluzione
Chimico-Industriale
Vegetali
Microrganismi
Network Segnaletico Globale *
V-Onc *
Simbios
i
Evoluzione Sviluppo
(Filogenesi )*
(Ontogenesi)*
Retrovirus/Sequenze Mobili *
Hormones *
Nutrition Metabolism
Growth
Reproduction
Morphogens *
Virus *
Animali
Cancerogenes
i
C-Onc *
Out of Molecular Co-Evolution Anthropogenic (Devo)-Evolution
Molecole-Segnale *
(ancestrali)
++ conservate
in ambito
evolutivo *

the “Steroid Cycle”…
IN 1958, Dr. Roy Hertz described the “steroid cycle,” anticipating what we now call endocrine
disrupter research, as follows: “. . . we have to consider that the introduction of . . . [hormones
into cattle feed lots] leads to the exposure . . . of individuals who might otherwise not ever
in their lives come in contact with such materials . . . . This is not a theoretical consideration
because we . . . now have encountered two families, each with two children, who presented with
simultaneously developing gynecomastia attributable to the accidental contamination of
vitamin capsules by estrogens during manufacture. If such estrogens can, by stray handling, get
into such pharmaceutical preparations, can they not very readily get where they are not wanted
on the farm? There is one additional consideration in this regard . . . . The fecal excretion of
these materials . . . will be dropped on the soil and . . . over generations there will be
constant replenishment of the soil surface with steroidal substances of this kind.
This in turn has its effect potentially on surface water-supply contamination and also potentially on
the vegetable content of steroids in crops raised on such soil . . . . I think that we are now
actually setting up a steroid cycle in our environment, and we have to give very serious
consideration to its implications for our subsequent development and growth and possibly
reproductive functions“ (taken from the discussion following Ref. 1).

Everyday levels matter
At high levels… arsenic kills people
At moderately low levels…
it causes a range
of diseases
At truly low levels …
it interferes with
gene activation
Kaltreider et al. al.
2002

Controlling active and inactive states of
embryonic and somatic cells
Correct organization
of chromatin
“Silencing “ mobile sequences
3
Mismatch Repair Enzymes
4
1 2
Hormones
A
Trascription Factors
Gene- and tissue-specific epigenetic patterns
B
X chromosome inactivation
Genomic
imprinting
5
6

XXI secolo: trasformazione (rapidissima) dell’ambiente (e) del microambiente uterino
Inquinanti chimici, metalli
pesanti, Pcb, diossine,furani etc
Carenze
nutrizionali
Dislessia
Stress
materno
ADHD Autismo
programming
epi- genetico
disturbi
di apprendimento
obesità , diabete II,
insulinoresistenza,
sindrome metabolica
malattie neurodegenerative,
neoplasie

Pharmaceuticals,
pesticides,
air pollutants,
industrial chemicals,
heavy metals,
hormones,
nutrition,
and behavior
can change
gene expression
through
a broad array of
gene regulatory
mechanisms..
highlighting
the potential
role for altered
DNA methylation
in fetal origins
of adult disease
and inheritance
of acquired
genetic changes
mRNAs
developmental
plasticity
fluid (epi)genome
Danger Theory
HSPs
Activation
HSPs/petides
ROS
The Epidemic Revolution
(Auto)Immunity
Autoinflammation
Environment
Of the XX century

Analysis of the Wilms' tumour epigenome.
(A)shows a region of long-range epigenetic silencing (LRES) on human
chromosome 5q31 identified by human genome promoter arrays.
(B)Clustered paralogous protocadherin genes at chromosome 5q31 are
hypermethylated in Wilms' tumour
Dallosso, A.R., Hancock, A.L., Szemes, A., Moorwood, K., Chilukamarri, L., Tsai, H-H., Sarkar, A., Barasch, J., Vuononvirta, R.,
Jones, C., Pritchard-Jones, K.m Royer-Pokora, B., Lee, S.B., Owen, C., Malik, S., Feng, Y., Frank, M., Ward, A., Brown, K.W. and
Malik, K. Frequent long-range epigenetic silencing of protocadherin gene clusters on chromosome 5q31 in Wilms' Tumor.
PLoS Genetics, (2009) 5(11), e1000745

J. Neurosci. 2008;28:i
No Caption Found
Alzheimer Disease in primates exposed to lead as infants
… examined at approximately 23 years of age, the brains of leadexposed
monkeys exhibited many hallmarks of AD, including Aβ
plaques and neurofibrillary tangles …
Developmental (Embrio-Fetal) Origin of AD.
Environmental
Trigger
Early life exposures
Wu et al. report that primates
exposed to lead as infants
showed Alzheimer's disease
(AD)-like pathology years
later.
From birth to 400 d. of age,
monkeys were exposed to lead
levels that produced no
obvious sign of toxicity

Conclusions: We found decreased
repeated-element methylation after
exposure to traffic particles.

LINE-1 methylation decreased in
relation to higher black carbon and
PM 2.5 ambient level ,with significant
associations for all the time windows
evaluated and stronger effects at the
longer time windows (2–7 d).
Alu methylation showed no significant
association with pollutant levels at any of
the time windows evaluated
Hypomethylation of repetitive DNA sequences is expected to lead to the transcriptional activation of those
repetitive sequences that still contain active promoters, potentially resulting in disruption of transcription
factor balance, sense or antisense transcriptional interference, and production of transcripts
complementary to endogenous transcripts or to alterations in genomic organization and stability

R Villa, F De Santis, A Gutierrez, S Minucci, PG Pelicci, L Di Croce
Epigenetic gene silencing in acute promyelocytic leukemia Biochem
Pharmacol (2004) 68: 1247-54
The ‘‘methylation paradox’’ of
cancer cells.
Cancer cells present a gain of
methylated streches at regions
that are usually unmethylated
(hypermethylation)
concomitantly with
loss of methylation at genomic loci
that are normally methylated
(global) (hypomethylation),
Retrosequences
activation

.. a maternal diet supplemented with methyl donors enhanced the severity of
allergic airway disease that was inherited transgenerationally.
Using a genomic approach, we discovered 82 gene-associated loci that were differentially
methylated after in utero supplementation with a methyl-rich diet. These methylation changes
were associated with decreased transcriptional activity and increased disease severity.
Runt-related transcription factor 3 (Runx3), a gene known to negatively regulate allergic
airway disease, was found to be excessively methylated, and Runx3 mRNA and protein levels
were suppressed in progeny exposed in utero to a high-methylation diet.
Moreover, treatment with a demethylating agent increased Runx3 gene transcription, further
supporting our claim that a methyl-rich diet can affect methylation status and consequent
transcriptional regulation.
Our findings indicate that dietary factors can modify the heritable risk of allergic airway disease
through epigenetic mechanisms during a vulnerable period of fetal development in mice.

Prenatal maternal environmental exposure to diets high in folate, vitamin B12,
choline, and methionine, which provide methyl donors, as well as to cigarette
smoking may be associated with the covalent addition of a methyl group to
cytosines genes in CpG dinucleotides and other epigenetic changes.
These changes in turn may repress gene transcription and induce asthma
phenotypes (i.e., airway allergic inflammation) in the offspring.
… prenatal methyl-rich diets may promote DNA methylation
and reduce transcription of genes associated with the
downregulation of allergic immune responses in the airway,
such as runt-related transcription factor 3 (Runx3).
If these findings are confirmed,
a new paradigm for asthma
pathogenesis may be emerging !!

1
2
3
Predisposizione genetica. Atopia: tendenza a produrre ++ IgE
in risposta all’esposizione a comuni “allergeni”… di per sé
NON sufficiente a determinare la patologia conclamata
Trigger esogeno (ambientale): NECESSARIO
IL – 25
IL-4 ++
IFN-γ - -
B Cells
Although the induction of a Th2-polarised pulmonary immunological
response may be a precursor to childhood asthma, it does not lead inevitably
to development of the disease. The central characteristic of asthma is
chronic inflammation of the airways, on the background of which are
superimposed episodes of acute inflammation, but atopy alone does not
drive the development of such airway inflammation…. what sustains
airway inflammation as asthma is established? Recent attention has
focused on the role of small non-coding MicroRNAs (miRNAs).
IgE
IL-4

In 1994 Polly Matzinger proposed the “danger signal theory,” which
proposes that the immune system is not so much concerned with
self/nonself discrimination but with mounting responses to danger
signals, including exogenous pathogenic bacteria and endogenous
damaged tissues
Matzinger, P. (1994). Tolerance, Danger, and the Extended
Family. Ann. Reviews of Immunology, 12, 991-1045.

Matzinger P (1994) Tolerance, danger, and the
extended family. Annu Rev Immunol 12: 991–1045.

Matzinger P (1994) Tolerance, danger, and the
extended family. Annu Rev Immunol 12: 991–1045.

… the heart of the most central puzzle of
MCS: how can can previous previous chemical
chemical
exposure exposure generate generate the the exquisite exquisite chemical
chemical
sensitivity sensitivity reported reported in in MCS MCS, MCS often two or
more orders of magnitude greater
sensitivity than is seen in normal people?
Chemical sensitivity appears to be progressive, increasing with increasing chemical exposure.. The symptoms reported to be
induced by chemical exposure in MCS patients are similar to those characteristic of chronic fatigue syndrome (CFS), but no
plausible mechanism has been proposed as to how those symptoms are generated by such chemical exposure.. The most wideranging
theory of MCS and related conditions CFS, FM, and PTSD is the elevated nitric oxide/peroxynitrite theory, which was first
proposed for CFS (Pall 2000a, 2000b, 2001a, 2002a; Smirnova and Pall 2003), and later extended to the other three conditions

Neural Sensitization
Long-Term Potentiation (LTP)**
This mechanism is centered on the activation of Nmethyl-D-aspartate
(NMDA) receptors by organic
solvents producing elevated NO and peroxynitrite,
Accessory mechanisms of sensitivity may involve
both increased blood–brain barrier permeability,
induced by peroxynitrite,
and cytochrome P450 inhibition by nitric oxide.
Normally, LTP** is thought to be triggered on a highly
selective basis in learning and memory, increasing
the sensitivity and activity of specific synapses. If
chemical stimulation produces increased nitric oxide
and peroxynitrite in large regions of the brain, the
diffusion of these compounds over several cell
diameters from their sites of synthesis could lead to
massive neural hyperactivity and hypersensitivity.
8
7
4
5
2
1
3
6
1

Cause Remote
Milioni di anni di lenta co-evoluzione molecolare…
Filogenesi
Genoma (specie specifico) *
Microambiente Uterino
POPs
Endocrine Disruptors
Ontogenesi
Quadro generale
Paleozoico
“Esplosione Cambriana” (570 milioni di anni fa): si originano tutti i phyla di animali oggi
esistenti (piani di sviluppo)
Regno Animali (pluricellulari)
Philum Cordati
Subphilum Vertebrati
morfogeni
differenziazione cellulare
Epi-GENOMA Dinamico e Adattativo *
Tra Mesozoico e Cenozoico (tra 140-65 milioni di anni fa)
Classe Mammiferi
Ordine Primati 6-8 milioni di anni
Famiglia Ominidi
Genere Homo
Specie Homo Sapiens 100.000 anni
Stress
epi-genetico
collettivo *
(DNA codificante *
95% stabile)
105mila molecole di sintesi
PCBs
Diossine
Pesticidi
Organismo
(adulto)
Sistemi
Psico -
Neuro -
AMBIENTE
Endocrino -
Immuno..
Solventi
Metalli Pesanti
Prima crisi dis-adattativa
Rivoluzione agricola: trasformazione urbanistica e sociale
zootecnia
trasformazione ecosistemi
trasformazione dieta - celiachia
trasformazione microbiota
trasformazione micro-biocenosi e patocenosi
ENDEMIE/EPIDEMIE
(circa 10.000 anni: ERA DELLE MALATTIE INFETTIVE)
Cause Prossime
Microrganismi
Virus
EMF (CEM)
Flogosi subacuta-cronica
Cancer
Seconda crisi dis-adattativa
I Rivoluzione industriale
II Rivoluzione industriale (chimica++)
In specie a partire dal II dopoguerra: plastiche, antibiotici, pesticidi, POPs
Esposizione progressiva… bioaccumulo-biomagnificazione..
MALATTIE CRONICO-DEGENERATIVE (da Cause Endogene: CAUSE REMOTE) *

Quadro generale
Paleozoico
• “Esplosione Cambriana” (570 milioni di anni fa): si originano tutti i phyla
di animali oggi esistenti (piani di svilupo)
Regno Animali (pluricellulari)
Philum Cordati
Subphilum Vertebrati
• Tra Mesozoico e Cenozoico (tra 140-65 milioni di anni fa)
Classe Mammiferi
Ordine Primati 6-8 milioni di anni
Famiglia Ominidi
Genere Homo
Specie Homo Sapiens 100.000 anni
> 95% sequenze
codificanti comuni
Milioni di anni di lenta co-evoluzione molecolare…

Sul piano biologico/bioevolutivo possiamo ipotizzare che, per quanto concerne la storia
più recente di Homo Sapiens, è possibile riconoscere due crisi (rotture) dis-adattative
maggiori con cambiamenti totali della biocenosi e della patocenosi:
I crisi (rottura) dis-adattativa: Rivoluzione Neolitica
• la prima di queste crisi è rappresentata dalla “Rivoluzione Neolitica”:
• dopo milioni di anni di esistenza da primate prevalentemente erbivoro e alcune
centinaia di migliaia di anni da ominide cacciatore- raccoglitore
• homo sapiens si sarebbe rapidamente trasformato in essere sociale,
sempre più sedentario (inurbamento) dedito ad agricoltura e zootecnia,
trasformando interi ecosistemi (insetti vettori, agenti microbici, parassiti e virus)
• e questo avrebbe causato l’insorgere di nuove malattie legate alla trasformazione
della dieta (celiachia) e quindi del microbiota intestinale ( alterazioni del
sistema immunocompetente) e
• soprattutto endemie/epidemie infettive (malattie acute da cause esogene),
essenzialmente zoonosi, che avrebbero dominato per quasi 10mila anni il mondo
umano

Epidemiologic
Triad
Disease is the result
of forces within a
dynamic system
consisting of:
M. Tevfik DORAK
Armi, acciaio e malattie
Einaudi 1997
Jared Diamond
Guns, germs and steel
The fates of human societies
8-10mila anni fa…
Il “dono fatale del bestiame”
.. l'allevamento e quindi il contatto continuo
con gli animali ebbe anche come conseguenza
il passaggio all'uomo di malattie di origine animale
(praticamente tutte le principali malattie contagiose)…
che sarebbero diventata… l’arma più potente
nelle mani dei colonizzatori europei !

Kittler R, Kayser M, Stoneking M: Molecular evolution of Pediculus humanus and the origin of clothing. Curr Biol 2003, 13:1414-1417.
Reed DL, Smith VS, Hammond SL, Rogers AR, Clayton DH: Genetic analysis of lice supports direct contact between modern and archaic humans. PLoS
Biol 2004, 2:e340.
Weiss RA, McMichael AJ: Social and environmental risk factors in the emergence of infectious diseases. Nat Med 2004, 10:S70-S76.
Reed DL, Light JE, Allen JM, Kirchman JJ: Pair of lice lost or parasites regained: the evolutionary history of anthropoid primate lice. BMC Biol 2007,
5:7.

http://www.ilsi.org/NR/rdonlyres/15CC21E6-FA33-4DB5-9936-B15A52D5B4C4/0/03Gilman.pdf
Incremento
patologie
cronicodegenerative
[immunomediate,
neurodegenerative,
endocrine,
neoplastiche,
cardiocircolatorie
]

• la seconda crisi sarebbe stata una conseguenza della rivoluzione industriale e in
particolare della seconda rivoluzione industriale (chimica) e globalizzazione dei
trasporti e dei traffici commerciali che in pochi decenni (una frazione di tempo
assolutamente irrilevante in ambito bio-evolutivo) avrebbe determinato una
drammatica trasformazione della stessa composizione molecolare della
biosfera, in specie a partire dal secondo dopoguerra mondiale, con diffusione
planetaria di oltre 100mila molecole di sintesi, tra cui, in particolare, antibiotici,
pesticidi, insetticidi, plastificanti e altri EDCs e POPs e conseguentemente:
• da un lato trasformazione radicale degli ecosistemi microbici e biologici in
genere, incremento e diffusione orizzontale dei geni di antibiotico-resistenza,
pressione selettiva su virus e in particolare retrovirus (attivazione e/o slatentizzazione
di HERVs), zoonosi (ri)emergenti (cfr anche inurbamento, migrazioni, trasporti,
commerci… bioinvasioni, immunoprofilassi attiva di massa)
• dall’altro e + direttamente: “inquinamento chimico-fisico” massivo, da intendersi
come rapida trasformazione della composizione molecolare dell’ecosfera e, in
particolare, dell’atmosfera delle aree urbane e industriali (con esposizione collettiva
e in particolare transplacentare e transgenerazionale a IPA, metalli, benzene, UP..),
della biosfera e delle catene alimentari (con effetti di bioconcentrazione,
bioaccumulo, biomagnificazione) e conseguente stress epigenomico (epigenetico e
poi genetico) collettivo e crescente, perdita della tolleranza e iperreattività
sempre meno selettiva (TILT), trasformazione radicale microbiota e Hygiene
Hypothesis e alterato programming fetale (DOHAD).. che nel medio-lungo periodo
potrebbe persino incidere in ambito devo-evo (> evo-devo).
•
II crisi (rottura) dis-adattativa: Rivoluzione Industriale

“Ambiente”
1
Agenti Fisici
>100mila molecole “nuove”
non portato di una di co-evoluzione
Fall-Out Chimico
2
3
Antigeni
IXX-XX SECOLO
Drammatica
Trasformazione
Ambientale
e Climatica
Danger Signals
Non self
Agenti Biologici
Milioni di anni
Challenge “naturale”
Adattamento
Co-evoluzione
Self
MHC
Genoma
virus HERVs
(Retro-viruses)
Genosfera
Biosfera
Tolleranza
(Retro)Trasposons)
Lo sviluppo onto-genetico
dura 9 mesi una vita
Evo
Sistemi
Neuro-endocrino
Immunocompetente
(Epi)-genoma
Onco-géni
V-onc
Devo
I processi
filo-genetici
durano
milioni
di anni
Fetal
Programming
C-onc

In Conclusione:
Quale e sarebbe oggi e/o potrebbe essere domani
la nostra rappresentazione del processo bio-evolutivo
e, di conseguenza, delle scienze biologiche-biomediche..
qualora fossero state/venissero accettate alcune idee “lamarckiane” inerenti
a:
- una tensione (evolutiva) verso la complessità intrinseca/immanente
a tutte le forme di vita..
- l’induzione/modulazione diretta da parte dell’ambiente (delle
informazioni provenienti dall’ambiente) delle caratteristiche genetiche e
fenotipiche degli esseri viventi…
- una progressiva trasmissione transgenerazionale e fissazione
(epi)genetica delle trasformazioni indotte**
** questo punto merita una particolare attenzione:
se è vero che le informazioni provenienti dall’ambiente induconomodulano
non soltanto l’espressione genica, ma lo stesso assetto
epigenetico genetico delle specie
e se è vero che almeno una parte di queste trasformazioni (epi) genetiche
vengono trasmesse da una generazione all’altra,
le conseguenze della drastica trasformazione dell’ambiente operata in
pochi decenni dall’uomo potrebbero rivelarsi assai più drammatiche di
quanto fin qui registrato e compreso...