Recentemente, è stata riportata l'identificazione di un nuovo tipo di modifica epigenetica a carico degli istoni che deriva dal 2-idrossi-isobutirrato: la 2-idrossi-isobutirilazione delle lisine. Questa modifica è associata ad elevata assunzione di glucosio e soggetti obesi mostrano un aumento della sua presenza alle estremità N-terminali delle proteine istoniche. Per caratterizzare meglio questa nuova marcatura epigenetica, intendiamo avvalerci di due sistemi modello, il lievito Saccharomyces cerevisiae ed il nematode Caenorhabditis elegans. Verranno effettuati esperimenti in grado di mostrare il ruolo del precursore 2-idrossi-isobutirrato sulla capacità di indurre la modifica istonica, sulla fisiologia cellulare e sullo stato di invecchiamento cronologico. Verranno utilizzate le classiche tecniche di biologia cellulare e molecolare come analisi Western, Chromatin Immunoprecipitation e saggi di sopravvivenza cellulare. Per valutare ulteriormente il ruolo di specifiche vie metaboliche nell'induzione della 2-idrossi-isobutirilazione, determineremo il metaboloma di cellule di lievito cresciute in diverse condizioni nutritive. Questo studio si propone di indagare una nuova strada sulla regolazione genica tramite la modifica epigenetica della cromatina da associare poi alle diverse funzioni del 2-idrossi-isobutirrato nel contesto di importanti stati patofisiologici umani, tra cui, obesità, epilessia e neoplasia.
Gli studi sulle basi molecolari dei fenomeni epigenetici stanno entrando nel loro terzo decennio. Si tratta dunque di argomenti ben consolidati e a cui la comunità scientifica guarda con sempre maggiore attenzione. Sulla natura delle diverse modalità con cui le cellule applicano specifici programmi epigenetici, c'è un progresso di informazioni via via crescente, dai primi studi sulla metilazione del DNA alle modifiche istoniche, ai processi di regolazione post-trascrizionale operate dagli RNA non codificanti. Per quanto riguarda le modifiche istoniche sta emergendo in questi ultimi anni la percezione per cui il metabolismo energetico possa influenzare in maniera consistente lo stato epigenetico della cromatina (forma funzionante del materiale genetico). Ad un ulteriore livello questa può essere influenzata anche dall'attività del microbiota che colonizza l'apparato digerente di svariati organismi. L'uso di vie metaboliche alternative con l'utilizzo di processi diversi da quelli del metabolismo diretto del glucosio e la trasformazione dei nutrienti operata dal microbiota, rappresentano eventi fondamentali nel cambiamento dell'epigenoma e come conseguenza dell'espressione genica di una data cellula.
La 2-idrossi-isobutirilazione degli istoni di recentissima scoperta rappresenta un argomento di frontiera nell'ambito delle nuove modifiche epigenetiche della cromatina. Anche la disponibilità di acidi grassi a corta catena precursori di questa modifica, ancora poco studiati in questo senso, può avere un notevole impatto sui processi di modificazione epigenetica. Dunque lo studio si inserisce in un filone di ricerca di massima innovazione ed alto interesse, come testimoniato dal numero di pubblicazioni su questo argomento.
La disponibilità di dati preliminari in nostro possesso ci permette di considerare con fiducia la possibilità di avere riscontro sperimentale delle ipotesi proposte e di aprire una nuova visione sul fronte delle molecole in grado di alterare lo stato epigenetico della cromatina e che possono essere assunte attraverso la dieta ed anche eventualmente prodotte da un'adeguata popolazione microbica.
L'identificazione dei principali elementi regolativi per la 2-idrossi-isobutirilazione istonica può rappresentare un importante passo avanti nell'ambito della conoscenza di modifiche epigenetiche meno note analoghe all'acetilazione e crotonilazione della lisina nelle code aminoterminali degli istoni. Gli studi di questo processo, insieme alla scoperta e caratterizzazione delle proteine che sono legate a questa modifica ("readers") e l'identificazione di un razionale sull'utilizzo delle vie metaboliche dell'acil-CoA potranno migliorare la specifica comprensione della 2-idrossi-isobutirilazione istonica e la regolazione molecolare delle funzioni cellulare mediate da acidi grassi a catena corta.
Sebbene siano stati fatti grandi progressi per studiare l¿ereditarietà dello stato metabolico usando diversi modelli sperimentali, i risultati rimangono a livello di correlazioni, in quanto non sono stati scoperti meccanismi molecolari specifici, influenzati sia da fattori genetici che ambientali. E¿ stato dimostrato che interazioni genetico-ambientali (ad esempio esposizione a sostanze nutritive e genoma) possono avere un impatto drammatico sullo sviluppo delle sindromi metaboliche. Un possibile avanzamento in questo campo è quello di portare il paradigma in un sistema modello più semplice, in particolare il nematode C.elegans. Poiché diversi meccanismi epigenetici sono stati ampiamente descritti in questo organismo, sarà possibile individuare un legame funzionale tra un nuovo marcatore epigenetico e i suoi geni target metabolici. Un punto fondamentale dello studio che si intende proporre è nel cercare di definire la relazione tra metabolismo dei carboidrati, 2-idrossibutirrilazione istonica e livelli di 2-idrossiisobutirrato che aumentano nelle urine di soggetti obesi e nei soggetti con NAFLD.