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I gemelli monozigoti: un prezioso modello per la medicina

I gemelli monozigoti, o gemelli identici, sono quelli che derivano da una singola cellula uovo fecondata da uno spermatozoo e dunque possiedono lo stesso DNA e hanno lo stesso sesso. I gemelli eterozigoti derivano invece da diverse cellule uovo fecondate da spermatozoi differenti. I gemelli monozigoti rappresentano l’unico caso di individui uguali tra loro.

Questa loro caratteristica li rende una fonte di informazioni molto preziosa per gli scienziati. Infatti, possono osservarli per verificare gli effetti che l’ambiente può produrre sul DNA provocando alterazioni genetiche.

I telomeri, un orologio biologico delle cellule

telomeri, nel DNA, sono strutture che costituiscono i pezzi terminali dei cromosomi (bastoncini costituiti da DNA raggomitolato). I cromosomi, come noto, rappresentano il patrimonio genetico di un individuo. Si trovano nelle cellule, in quelle umane sono in tutto 46 e sono disposti in 23 coppie (un cromosoma ereditato dal padre e l’altro dalla madre).

I telomeri rivestono un ruolo chiave in alcune funzioni vitali delle cellule, come la divisione cellulare e la protezione delle cellule dall’invecchiamento e dall’insorgenza di tumori. Pare che i telomeri rappresentino una specie di orologio biologico. Essi, infatti, si accorciano a mano a mano che la cellula invecchia. In seguito a studi eseguiti su alcune specie di vermi e altri organismi, alcuni ricercatori avevano ipotizzato la possibilità di allungare i telomeri in laboratorio per rallentare il processo di invecchiamento, ma questa idea fu abbandonata per i rischi che l’allungamento dei telomeri potrebbe provocare [1].

Le cellule “fuori controllo” e i telomeri

Ogni cellula sana ha un ciclo vitale ben definito: nasce, cresce, si riproduce e muore. Quando la cellula non segue questo iter in seguito ad alterazioni del DNA, si può trasformare in una cellula tumorale cioè andare “fuori controllo” e iniziare a replicarsi ripetutamente e sopravvivere all’infinito. Sono noti alcuni tipi di tumori nei mammiferi dovuti proprio al mantenimento della lunghezza dei telomeri [1].

L’epigenetica: quando si modifica il comportamento dei geni

Un altro fenomeno che provoca cambiamenti non a livello dei singoli geni, ma sul comportamento degli stessi (espressione), è la metilazione che consiste in una serie di reazioni chimiche del DNA. Questo processo viene detto epigenetico.

L’epigenetica è una branca della genetica che si occupa di analizzare i cambiamenti ereditabili da una cellula o un organismo ma non direttamente sul DNA. Più precisamente, l’epigenetica non riguarda meccanismi che cambiano i geni, bensì i processi che ne modificano l’espressione cioè il comportamento.

I gemelli monozigoti astronauti

Un esempio di studio effettuato sui gemelli monozigoti è quello condotto sui gemelli Scott e Mark Kelly, entrambi astronauti della Nasa, e pubblicato sul Time nel 2018. Scott Kelly, famoso per aver trascorso quasi un anno nella Stazione spaziale internazionale, e Mark Kelly, comandante dello Space Shuttle, sono stati oggetto di analisi genetiche approfondite sul loro DNA prima di partire rispettivamente per le missioni spaziali. Questo studio voleva verificare se la vita nello spazio fosse in grado di modificare il DNA e in modo differente tra i gemelli identici.

Le analisi genetiche rivelarono che i telomeri del DNA di Scott si allungarono durante la permanenza nello spazio, per poi ritornare della lunghezza normale al rientro sulla terra.

Gli scienziati attribuirono le cause di questa alterazione alle condizioni di vita in orbita. In particolare, considerarono l’assenza di gravità, il sonno diverso, l’alimentazione priva di cibi freschi, il movimento più scarso e molto differente e altri parametri.

Gemelli identici, ma non troppo

Ricerche recenti hanno scoperto che il DNA dei gemelli monozigoti è identico, ma gli individui possono sviluppare differenze a livello fisico chiamate fenotipiche (caratteristiche morfologiche e funzionali) indotte dall’epigenetica.

Ricercatori spagnoli hanno pubblicato ultimamente uno studio nel quale è stato esaminato il DNA di 160 gemelli omozigoti in collaborazione con Centri di ricerca europei [2]. Gli scienziati hanno scoperto che durante i primi anni di vita i gemelli hanno mostrato un fenotipo praticamente identico, mentre con l’avanzare dell’età si sono manifestate notevoli differenze tra gli stessi, anche a causa dei molti anni vissuti separatamente. Inoltre, gemelli monozigoti con stili di vita simili sono stati confrontati con altri con abitudini molto diverse (sport, alimentazione, uso di alcol ecc.) tra loro. Sono emerse, in questi ultimi, diversità fenotipiche molto accentuate.

Un modello prezioso per diversi aspetti

I gemelli monozigoti rappresentano un modello eccellente sia per comprendere la natura delle modificazioni epigenetiche che portano allo sviluppo di caratteristiche fisiche (fenotipi) diverse, sia per identificare i fattori predisponenti lo sviluppo di malattie come tumore della prostata, polmone e colon-retto [3].

Studi su gemelli monozigoti si sono rivelati molto utili anche nelle malattie autoimmuni, poiché l’epigenetica può svolgere un ruolo importante, come per esempio nell’artrite psoriasica.

Se uno dei due gemelli monozigoti sviluppa l’artrite reumatoide, un’altra malattia autoimmune, il rischio che si ammali anche l’altro è del 30-40% [4].

Uno studio molto recente su gemelli monozigoti ha dimostrato che l’epigenetica e i fattori ambientali contribuiscono allo sviluppo del diabete di tipo 1 in cui il livello di discordanza è del 40-60%. Cioè, se si ammala uno dei due, l’altro avrà il 40-60% di probabilità di sviluppare la malattia [5].

Nel 2018, uno studio pubblicato su Genome Biology ha dimostrato che una coppia di gemelli identici, oltre a condividere lo stesso DNA, possiede anche meccanismi epigenetici molto simili [6].

Conclusioni

In conclusione, gli studi sui gemelli monozigoti rappresentano un modello molto utile per la ricerca biomedica perché dimostrano che due individui con lo stesso DNA possono presentare nel corso della vita non solo caratteristiche fisiche differenti, ma sviluppare malattie in seguito a modificazioni indotte da fattori epigenetici.

A oggi sono stati pubblicati oltre 14.500 studi sui gemelli monozigoti e nuove ricerche chiariranno il ruolo dell’ambiente nello sviluppo di malattie e tumori.

Bibliografia

  1. Aviv A, Anderson JJ, Shay JW. Mutations, Cancer and the telomere length paradox. Trends Cancer 2017;3(4):253-8.
  2. Fraga MF, Ballestar E, Paz MF, et al. Epigenetic differences arise during the lifetime of monozygotic twins. Proc Natl Acad Sci U S A 2005;102(30):10604-9.
  3. Lichtenstein P, Holm NV, et al. Environmental and heritable factors in the causation of cancer–analyses of cohorts of twins from Sweden, Denmark, and Finland. N Engl J Med 2000;343(2):78-85.
  4. Webster AP, Plant D, Ecker S, et al. Increased DNA methylation variability in rheumatoid arthritis-discordant monozygotic twins. Genome Med 2018 ;10(1):64.
  5. Adebola Matthew Giwa, Rizwan Ahmed, Zahra Omidian, et al. Current understandings of the pathogenesis of type 1 diabetes: Genetics to environment. World J Diabetes 2020 ;11(1):13-25.
  6. Van Baak TE, Coarfa C, Dugué PA, et al. Epigenetic supersimilarity of monozygotic twin pairs. Genome Biol 2018 Jan 9;19(1):2.