Il ruolo del microbiota nello sviluppo fisiologico e ... ruolo del... · u c m p. b e r k e l e y. e d u / a l l l i f e / t h r e e d o m a i n s. h t m l ... simil-retrovirale)

Il ruolo del microbiota nello sviluppo fisiologico e patologico

(dall’immunogenetica all’epigenetica; dalla meta-genomica all’ologenomica)

ERNESTO BURGIOISDE Scientific Committee

ECERI - European Cancer and Environment Research Institute

MargulisMargulis

SymbiontsSymbionts

Fetal programming

1

53

2

Ontogenesis

Phylogenesis

Developmental Plasticity

Devo-Evo

4 Mismatch6

7 XX Century Epidemiologic

TransitionEnvironment

From Genetics to Epigenetics

The 7 keys

Project ?

Microbiota

Microbioma

Genoma

Ologenoma

Genoma

DNA

• Siamo abituati ad affrontare il problema delle relazioni relazioni tra uomo, microrganismi e virus tra uomo, microrganismi e virus in modo antropocentrico, antagonistico e riduttivo. Partendo, in pratica, dalle tradizionali domande (come cercherò di dimostrare fuorvianti e pericolose): - quali sono i batteri, i virus e i parassiti patogeni per l’uomo? come agiscono ? - come possiamo difenderci ? Come combatterli ?

Foreword

Uomini, batteri, protozoi e virus

Sarebbe urgente e necessario (e non soltanto per motivi di ordine astratto, concettuale) partire da domande differenti:

- quale ruolo hanno batteri, protozoi e virus nell’ambito della biosfera ? - come e perché si vanno continuamente trasformando ? come cambia il loro rapporto con l’uomo e, più in generale, con gli organismi pluricellulari/eucarioti ?

UN APPROCCIO DIVERSO

Microrganismi essenza della biosferaMicrorganismi essenza della biosfera

Cicli bio-geochimici naturali e… innaturaliCicli bio-geochimici naturali e… innaturali

il “Ciclo degli Estrogeni”il “Ciclo degli Estrogeni”

• Bisognerebbe in primis ricordare come i microrganismi rappresentino l’essenza stessa della biosfera: ne sono infatti di gran lunga la componente fondamentale sul piano sia quantitativo (60-90% della biomassa a seconda che vi si includa o meno la cellulosa) che qualitativo.

• Senza “organismi superiori” la biosfera potrebbe sopravvivere, mentre senza microrganismi l’intera ecosfera collasserebbe: è sufficiente ricordare il ruolo centrale svolto dai batteri nei cicli bio-geochimici e in particolare nel ciclo dell’azoto

Self/Non Self or Danger Signals ?

• Altrettanto importante è ricordare come i microrganismi svolgano il loro prezioso ruolo su questo pianeta da miliardi di anni e come tutte le forme attualmente viventi derivino da essi, ne siano in larga parte costituiti, ne traggano immensi benefici.

• Per quanto concerne più direttamente l’uomo occorre ribadire come spesso ci si dimentichi che senza batteri, parassiti e virus non potremmo sopravvivere: dimenticanza a cui si riconnette il suaccennato atteggiamento antagonistico, che rischiamo di pagare a carissimo prezzo

1

3

2

WHERE DO WE COME FROM ?

https://www.msu.edu/course/lbs/148h/fall2007/0920prokaryotes&viruses.pdf

http

://w

ww

.ucm

p.be

rkel

ey.e

du/a

lllife

/thre

edom

ains

.htm

l3 Domains3 Domains

(see Fig 27.2)

http://whyfiles.org/022critters/archaea.html

1998. The pretty picture we've shown you turns out to be a simplification of reality. Now that the complete genomes of more than a dozen microbes are known, it seems that Eukarya - the higher organisms - may not have sprouted off the Archaea, as Woese supposed. Genetic information from organisms on the three branches of life seem contradictory at this point. As Woese said… "Each picture is different, so there's tremendous confusion." The problem could be rooted in the ability of organisms like bacteria to transfer groups of genes among themselves, or even to engulf other organisms and incorporate their genes. That kind of transfer would make a tree metaphor, with everything tracing back to a common ancestor, less appropriate than a network metaphor, with myriad connections between what we've been calling branches on the tree of life. Woese's Proposed Classification of Lifeforms

(see C&R Fig 26.1 & 26.16)

HGT

Ipotesi – endosimbionti (Lynn Margulis): un batterio dotato di metabolismo anaerobico avrebbe inglobato un battere a metabolismo aerobico (dal quale si sarebbero prodotti i mitocondri mentre il battere ospite avrebbe fornito il nucleo) – ecc..

… … l'inglobamento di microrganismi simbionti e la progressiva formazione di cellule l'inglobamento di microrganismi simbionti e la progressiva formazione di cellule eucariotiche un altro ancora eucariotiche un altro ancora .. e così la costituzione di organismi multicellulari etc … … l'inglobamento di microrganismi simbionti e la progressiva formazione di cellule l'inglobamento di microrganismi simbionti e la progressiva formazione di cellule eucariotiche un altro ancora eucariotiche un altro ancora .. e così la costituzione di organismi multicellulari etc

4

… in tutto questo un ruolo un ruolo enormemente sottovalutato enormemente sottovalutato è svolto dai è svolto dai (retro)virus (retro)virus e dal e dal trasferimento orizzontale di trasferimento orizzontale di sequenze geniche mobili:sequenze geniche mobili:… in particolare per quanto concerne il processo evolutivo proprio degli organismi superiori le maggiori acquisizioni e le maggiori acquisizioni e trasformazioni sono il prodotto trasformazioni sono il prodotto di inserimenti genici..di inserimenti genici..

6

… un esempio per tutti: la placentazione. è infatti ormai dimostrato che il sinciziotrofoblasto è il prodotto di una proteina codificata da un retrovirus: quindi i mammiferi sono "figli" dell'inserimento di un retrovirus in genomi di organismi precedenti...

… un esempio per tutti: la placentazione. è infatti ormai dimostrato che il sinciziotrofoblasto è il prodotto di una proteina codificata da un retrovirus: quindi i mammiferi sono "figli" dell'inserimento di un retrovirus in genomi di organismi precedenti...

7

Here .. a viral gene has been sequestered to serve an important function in the physiology of a mammalian host. This gene, encoding a protein that we have called syncytin, is the envelope gene of a recently identified human endogenous defective retrovirus, HERV-W. We find that the major sites of syncytin expression are placental syncytiotrophoblasts, multinucleated cells that originate from fetal trophoblasts. …syncytin may mediate placental cytotrophoblast fusion in vivo, and thus may be important in human placental morphogenesis.

Simplified drawing of the human placental villous structure, showing the cytotrophoblast at different stages of differentiation, syncytial fusion, syncytiotrophoblast differentiation and shedding.

A child in the womb carries foreign antigens from the father as well as immunologicallycompatible self-antigens from the mother.

In the early 1970s, scientists scanning baboon placentas with the electronmicroscope were startled to discover endogenous retroviruses budding from the syncytiotrophoblast. Similar viruses were subsequently detected in the placentas of healthy cats, mice, guineapigs and humans… Genome sequencing reveals that 8% of the human genome consists of human endogenous retroviruses, or HERVs, and, if we extend this to HERV fragments and derivatives, the retroviral legacy amounts to roughly half our DNA. Although many HERVs have been degraded into fragments, they are still readily identifiable from the presence of any of three pathognomonic genes, gag, pol and env, and their flanking long terminal repeats or LTRs …

Events following endogenization of a retrovirus.

I RETROVIRUS SONO I NOSTRI + INTIMI SIMBIONTII RETROVIRUS SONO I NOSTRI + INTIMI SIMBIONTI

il fatto che il genoma dei primati e, in particolare, dell'uomo sia costituito per l'8% da HERVs.. cioè da retrovirus endogeni e per oltre la metà da retrosequenze mobili (che hanno struttura simil-retrovirale)…

8

Activation of an ERV through mutation

I RETROVIRUS SONO I NOSTRI + INTIMI SIMBIONTII RETROVIRUS SONO I NOSTRI + INTIMI SIMBIONTI

… che svolgono un ruolo continuo di trasformazione/ingegnerizzazione reattivo-adattativa dell’intero genoma è un dato estremamente importante (Natural Genetic Engineering)

8b

Percentage of non-coding DNA during evolution … AS EUKARYOTIC COMPLEXITY GROWS SO DOES NON-CODING DNA  GREATER THAN 95% OF our DNA LESS THAN 1.5% OF HUMAN GENOME ENCODES PROTEINS, BUT ALL DNA IS TRANSCRIBED 40% OF HUMAN GENOME IS TRANSPOSONS & REPEAT GENETIC ELEMENTS.

about 45% of the human genome is derived from transposon DNA

Despite their parasitic nature…. transposable elements are a powerful force in genome evolution

Transposons (and retroviruses) are natural gene delivery vehicles that are being developed as genetic tools.

( symbiontic !)

Temin (1971..)...

C-Onc V-Onc

Transposable elements can be seen as a natural genetic engineering system capable of acting not just on one location at a time but on the genome as a whole ..This dynamic view of the genome has been illustrated most impressively by Shapiro who stated that the genome is composed of modular units arranged in a “Lego-like” manner that can be altered under certain circumstances

http://www.cbs.dtu.dk/staff/dave/04a_pangenomes_CDC2012.pdf

http://www.flickr.com/photos/7230309@N05/3595535070/

Last Universal Common Ancestor (LUCA)

Guns, germs and steel

The fates of human societies

Armi, acciaio e malattie

Einaudi 1997

Jared Diamond

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 !

Disease is the result of forces within a dynamic system consisting of:

Epidemiologic Triad

M. Tevfik DORAK

8-10mila anni fa…

of David Reed and colleagues and of Mark Stoneking's group who, on the basis of phylogenetic analysis, have speculated that we may have acquired a clade of head lice from another hominid species and pubic lice from gorillas; they have also suggested that lice might help determine the date when humans adopted clothing….

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.

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.

Kittler R, Kayser M, Stoneking M: Molecular evolution of Pediculus humanus and the origin of clothing. Curr Biol 2003, 13:1414-1417.

Weiss RA, McMichael AJ: Social and environmental risk factors in the emergence of infectious diseases. Nat Med 2004, 10:S70-S76.

MICROBIOME

“Microbiome is the

ecological community ecological community of commensal,

symbioticsymbiotic,,

and/or and/or pathogenicpathogenic microorganisms

sharing our body

space”.

The Human Microbiome Projecthttp://www.broadinstitute.org/scientific-community/science/projects/microbiome-projects

For years, bacteria have had a bad name. They are the cause of infections, of diseases. They are something to be scrubbed away, things to be avoided.

But now researchers have taken a detailed look at another set of bacteria that may play even bigger roles in health and disease: the 100 trillion good bacteria that live in or on the human body.

http://www.nytimes.com/2012/06/14/health/human-microbiome-project-decodes-our-100-trillion-good-bacteria.html?_r=0

Cyanobacteria

7 bacterial divisions

Bacteroides

Proteobacteria

Firmicutes

Actinobacteria

Fusobacteria

Verrucomicrobia

The dysbiosis impacts on health

?

Metabolism Immunity

Auto-Immunity

IBDs-Metabolic Syndrome-Atherosclerosis-Depression…

… on development

Insulino-resistance Diabetes

Cardiovascular Diseases

La Rivoluzione Epidemiologica

del XX SecoloL’incremento delle patologie cronico-degenerative[immunomediate, neuro-degenerative, endocrine, neoplastiche, cardiocircolatorie]

quale prodotto di una drammatica trasformazione ambientalee di una (conseguente) alterazione del Programming embrio-fetale

Barker Hypothesis (1989)

(1989)

31

2

INFLAMMATORY BOWEL DISEASES

++ ENVIRONMENTAL FACTORS

TIPE I DIABETES

X 10

• Perchè la celiachia (glutine + DQ2-DQ8 + Permeabilità Intestinale + Gut Ecosystem/TLRs) ha un incremento di circa il 10% annuo in Italia..?

• Perché asthma/allergie di I tipo GC sono passate da una prevalenza dell'1% a 25-30% in meno di un secolo (allergens + genes + flogosis/remodeling) ecc..

• Che legame c'è tra l’incremento epidemico di obesità.. sindrome metabolica.. diabete II.. aterosclerosi e patol.cardiovascolari (genes+epigenetics/phlogosis + TLRs) 

• ENVIRONMENT HEALTH• Genome and Epi-genome• The Epidemic Revolution of XXth Century• 3 PATHOGENIC MODELS:

Barker HypothesisHygiene HypothesisSystemic-chronic (low grade) Inflammation

• Back to the NEO-LAMARCKIAN PARADIGM ENVIRONMENT Epigenetic Changes Fetal Programming

Fluid (Epi)genome

2

1

3

1744-18291809-1882

Reduced overall microbial burden results in weak Th1 and unrestrained Th2 response.

Contradictions: increasing TH1 dependent autoimmunity. TH2 skewed helminth infection are not associated with allergy

1

Karp Ch.

One subject that appears to show a strong correlation is the development of asthma and obesity

In fact, in numerous animal studies, helminth infestation has protected rodents against colitis, asthma, rheumatoid arthritis, food allergies and type 1 diabetes.

Researchers have conducted few human studies, but most have shown promise. In a clinical trial published in 2005 in the journal Gut, Weinstock asked 29 participants with Crohn's disease (another autoimmune inflammatory bowel condition) to ingest 2,500 pig whipworm eggs every three weeks for six months. Twenty-three patients (79.3 percent) improved significantly, and 21 (72.4 percent) experienced remission.

Il feto è sterile, ma già nel canale vaginale si contamina con i batteri vaginali, con l’ambiente, con le feci della madre; si osserva anche una significativa significativa differenza tra i nati col parto cesareo differenza tra i nati col parto cesareo o col o col parto naturaleparto naturale.

In particolare si ha una maggiore presenza maggiore presenza del del Bacteroides fragilis Bacteroides fragilis nei neonati nei neonati partoriti per via naturalepartoriti per via naturale, rispetto a quelli nati con parto cesareo. [Grönlund et al. J Pediatr Gastroenterol Nutr 1999; 28:19-25]

L’alimentazione nelle prime fasi di vita svolge un ruolo fondamentale nella composizione del microbiota; infatti si osserva una significativa differenza significativa differenza nei neonati allattati al seno nei neonati allattati al seno rispetto a quelli allattati con formularispetto a quelli allattati con formula. . Il conseguimento di un microbiota stabile richiede circa 2 anni. Come si evince dal grafico riportato, nei primi mesi di vita diventano specie nei primi mesi di vita diventano specie predominanti i predominanti i BifidobatteriBifidobatteri, subito dopo i , subito dopo i LactobacilliLactobacilli, successivamente i , successivamente i BacteroidesBacteroides e altre specie. I I ClostridiClostridi rappresentano numericamente la rappresentano numericamente la minoranza minoranza e nel bambino molto piccolo non sono presenti.e nel bambino molto piccolo non sono presenti.

Nell’adulto, si rileva una composizione caratterizzata da stabilità, mentre nell’ultima epoca della vita si hanno di nell’ultima epoca della vita si hanno di nuovo delle variazioninuovo delle variazioni. . Nell’anziano infatti, è stata descritta una riduzione della peristalsi. Ciò può determinare un effetto negativo sulla digestione, come pure l’insorgenza di stipsi e può associarsi a frequenti alterazioni nella composizione del microbiota

van Tongeren SP et al. Appl Environ Microbiol 2005; 71(10);6438-6442].

[Mitsuoka T & Hayakawa K, ZentralBlatt Bakteriol ParasitenKund Infektionskrank Hyg 1973;A223:333-342]

Bacteroides

Lactobacilli,

Bifidobatteri

Il microbiota esercita una sorta di “cross-talk”, come è stato recentemente dimostrato, con le cellule epiteliali: si realizza cioè un dialogo con il sistema immunitario intestinale, il più grande organo di difesa

dell’organismo; in questo modo il microbiota è in grado di modulare la risposta immunitaria.

Gli acidi grassi a catena corta sono molto importanti per il trofismo dei colonociti, in quanto sono in grado di stimolare la proliferazione e la differenziazione delle cellule epiteliali… promuovono l’assorbimento di Ca, Mg, Fe; infine, intervengono nel metabolismo energetico dell’ospite, fornendo il 10% del fabbisogno energetico giornaliero.

Guarner F et al. Lancet 2003; 361: 512–19

L’interazione tra microbi, epitelio e tessuto linfatico intestinale (GALT) contribuisce allo sviluppo della memoria immunitaria, cruciale nelle prime fasi di vita come nell’adulto e consente il continuo rimodellamento dell’immunità

Gasbarrini A et al. Ann Ital Med Int 2004; 19 (Suppl 3): 27S-45S

Guarner F et al. Lancet 2003;361:512-519

MICROBIOTA AND IMMUNE SYSTEM

Commensal bacteria regulate:mucus production in goblet cellsdefensin release from Paneth cellstight junction protein synthesis.

Commensal bacteria are:the first line of defense first line of defense against infection

Commensal bacteria preventbacteria preventthe colonisation of pathogens the colonisation of pathogens in the gut and regulate the mucosal immune system.

Pseudomonas, Proteus, Stafilococcus, Veillonella, Clostridia sono in grado di produrre nitrosamine, fenoli, cresoli e altre amine potenzialmentecarcinogene.

*

*

Sono nocivi in particolari condizioni i generi E. Coli, enterococchi, streptococchi e batteroidi

C. difficile is the most significant cause of pseudomembranous colitis. It is a severe infection of the colon, often happening after normal gut flora is eradicated by use of antibiotics. The C. difficileC. difficile bacteria, which bacteria, which naturally reside in the body, become naturally reside in the body, become overgrown:overgrown: The overgrowth is harmful because the bacterium releases toxins that can cause bloating, constipation, and diarrhea with abdominal pain, which may become severe.

CHANGING GUT ECOSYSTEM !!DECREASING/CHANGING USUAL ANTIGENIC CHALLENGEATOPY (+

TH2?)HYGIENE HYPOTHESISAutoimmunity (+ TH1?)

ATOPY

Children born by Caesarean section have modified intestinal bacterial colonization and consequently may have an increased risk of developing asthma under the hygiene hypothesis.

In this meta-analysis, we found a 20% increase in the subsequent risk of asthma in children who had been delivered by Caesarean section.

Allergic diseasecorrelations between allergic diseases and altered fecal microbiota, antibiotic use, and dietary changes have beenn made.

in allergic patientes there is an in allergic patientes there is an increased prevalence ofincreased prevalence of B. B. fragilisfragilis and higher counts of and higher counts of StaphylococcusStaphylococcus aureusaureus and and E. coliE. coli

the gut microbiota clearly differs between allergic and non allergic people

Irritable bowel syndrome

irritable bowel syndrome is associated with abnormal intestinal microbial communities

their signifcance in the pathogenesis of ibs remains unclear

Frank DN, St Anand AL, Feldman RA, Boedeker EC, Harpaz N, Pace NR. Molecular-phylogenetic characterization of microbial community imbalances in human inflammatory bowel disease. Proc Natl Acad Sci U S A 2007;104:13780-5.

1 GLIADIN

2 DQ2 – DQ8

3 GUT PERMEABILITY

4 GUT ECOSYSTEM

More than 50% of the world's population harbour H. pylori in their upper gastrointestinal tract. Infection is more prevalent in developing countries.

There is now considerable evidence that H. pylori has colonized the stomach of humans for more than 100,000 years. Its persistence and ubiquity before modern times suggest selection for its presence, possibly based on enhanced protection against diarrhoeal diseases and improved energy homeostasis

( leptin/ghrelin-mediated..)In response to changing hygiene demographics and antibiotic usage, H. pylori is disappearing

Martin J Blaser Who are we? EMBO reports (2006) 7, 956 – 960

A fat-enriched diet induces a modification in the intestinal microbiotaA fat-enriched diet induces a modification in the intestinal microbiota. Some intestinal bacteria intestinal bacteria translocate into the host by means of the innate immune system, which infiltrates into the metabolic translocate into the host by means of the innate immune system, which infiltrates into the metabolic tissues such as the adipose depot and the liver. tissues such as the adipose depot and the liver. The intracellular bacteria and the bacterial antigens further enhance local inflammation leading to the secretion of inflammatory mediators that impair inflammatory mediators that impair insulin secretion, insulin action and further trigger adipose tissue developmentinsulin secretion, insulin action and further trigger adipose tissue development.

Immuno-microbiota cross and talk: The new paradigm of metabolic diseasesSeminars in ImmunologyVolume 24, Issue 1, February 2012, Pages 67–74

Metabolic disease

OBESITY

DIABETES MELLITUS TYPE 2

Colorectal cancerGenetic and induced models of intestinal neoplasia have shown that, under germ-free conditions, colitis and tumor formation are reduced

In vivo colonization of B. fragilis has been linked to the development of colorectal colorectal cancercancer

Colorectal cancer patientsColorectal cancer patients demonstrate decreased levels of Enterococcaceae and Fusobacteriaceae compared to healty people, and a signifcant elevation of Bacteroides-elevation of Bacteroides-Prevotella populationPrevotella population

From Genetics to EpigeneticsThe Times They Are A-Changin'

Berlin-Potsdam,7-9 November 2011PARTE IIPARTE II

ERNESTO BURGIOERNESTO BURGIOISDE Scientific CommitteeISDE Scientific Committee ECERI - ECERI - European Cancer European Cancer and Environment Research and Environment Research InstituteInstitute

We are rather stable (for millions of years) both genetically and phenotypically

The chimpanzee Dna is for 98.77% identical to the human . On average, a gene encoding a protein in a man differs from its chimpanzee ortholog by only two aa substitutions .. almost one third of human genes has exactly the same protein translation as their orthologs

in chimpanzee

Species phylogeny

Orangutan Gorilla Chimpanzee Human

From the Tree of the Life Website,University of Arizona

Sanger Institute

We are quite stable (for millions of years) both

genetically and phenotypically

Evo

Chimpanzee-human divergence

Chimpanzees Humans

6-8millionyears

Hominids or hominins

Brain:a rapidly evolving Organ ?

Evo

The larvae that develop into workers and queens are genetically identicalgenetically identical. But as a result of the royal jelly diet, as a result of the royal jelly diet, the queen will develop functional the queen will develop functional ovaries and a larger abdomenovaries and a larger abdomen for egg laying

A Bee's Royal Diet

Queen Bee Larvae: Queens are raised in specially-constructed cells called "queen cups," which are filled with royal jelly.

Kucharski R., Maleszka J., Foret S., Maleszka R. Nutritional Control of Reproductive Status in Honeybees via DNA Methylation Science (2008) 319: 1827-1830

Epigenetic modifications : a molecular environmentally induced effect

Genetics

Critical determinants

of the epigenomeEnvironment

NurtureNature

Daily (low intensity) enviromental events

Acute enviroemental events

Genetic Mutations etc. Epi-Mutations

CH

AN

GIN

G E

PIG

EN

OM

E

And Alzheimer Disease ?

Celiac DiseaseWhy this disease is concordant

in only 60% to 70% of identical twins.

Fraga et al., PNAS. 2005.

Devo

ALTHOUGH TWINS ARE EPIGENETICALLY INDISTINGUISHABLE DURING THE EARLY YEARS OF LIFE…ALTHOUGH TWINS ARE EPIGENETICALLY INDISTINGUISHABLE DURING THE EARLY YEARS OF LIFE…

1

… although twins are epigenetically indistinguishable during the early years of life, … older monozygous older monozygous twins exhibited twins exhibited remarkable remarkable differences in differences in their overall content overall content and genomic distribution of 5-methylcytosine DNA and histone acetylation, affecting their gene-expression portrait.

3-year-old twins 50-year-old twins3-year-old twins 50-year-old twins

Epigenetic differences in homozygotic twins

Fraga et al., PNAS. Jul 26 (2005);102(30):10604-9..Epigenetic differences arise during Epigenetic differences arise during the lifetimethe lifetime of monozygotic twins

Interphase chromosomes Mitotic chromosome

Euchromatin

Heterochromatin

...revolving around it and playing an important role in transferring information from outside to DNA and in modulating the response, to the extent that some scientists have used the term natural genetic engineering

What’s Epigenetics ?What’s Epigenetics ?

Pour citer le biologiste moléculaire Richard C. Strohmann : l'ère de l'ère de Watson et CrickWatson et Crick, qui a commencé , qui a commencé comme une comme une théorie du gène a évolué à tort dans une théorie et le paradigme de la viethéorie du gène a évolué à tort dans une théorie et le paradigme de la vie: c'est a dire, : c'est a dire, dans une dans une forme revivifiée et soigneusement moléculaire du déterminisme génétiqueforme revivifiée et soigneusement moléculaire du déterminisme génétique

Pour citer le biologiste moléculaire Richard C. Strohmann : l'ère de l'ère de Watson et CrickWatson et Crick, qui a commencé , qui a commencé comme une comme une théorie du gène a évolué à tort dans une théorie et le paradigme de la viethéorie du gène a évolué à tort dans une théorie et le paradigme de la vie: c'est a dire, : c'est a dire, dans une dans une forme revivifiée et soigneusement moléculaire du déterminisme génétiqueforme revivifiée et soigneusement moléculaire du déterminisme génétique

Le Dogme Central de CrickDogme Central de Crick: Une fois l'information a pénétré dans une protéine ne peut pas sortir à nouveau (one direction-linear flow of informationone direction-linear flow of information)

Francis Crick's statement of the central dogma, from an early draft of Crick (1958)available at http://profiles.nlm.nih.gov/SC/B/B/F/T/_/scbbft.pdf

Bromham L Biol. Lett. 2009;5:503-505©2009 by The Royal Society

http://news.sciencemag.org/sciencenow/2009/04/21-03.htmlIN FACT GenesIN FACT Genes need to be told need to be told to switch “off” and “on”:to switch “off” and “on”:• Genes need to be told how much expression (protein) is required and where.• Genes need to be regulated Genes need to be regulated – this regulation is not performed by DNAregulation is not performed by DNA but by but by many other controls arranged in a many other controls arranged in a complex complex networknetwork

• DNA has been called the Book of Life by the Human Genome Project scientists, but many other biologists consider DNA to be DNA to be simply a random collection of words simply a random collection of words from from which a meaningful story of life may be which a meaningful story of life may be assembled…assembled…• In In order to assemble that meaningful story, a living cell uses a second cell uses a second informational systeminformational system. (...) The key concept here is that these dynamic-epigenetic these dynamic-epigenetic networks have a life of their own —they networks have a life of their own —they follow network-rules not specified by DNAfollow network-rules not specified by DNA

From directing the fate of stem cells to determining how.. we grow, the genes in our the genes in our body body act in complex networks..act in complex networks.. the whole whole GenomeGenome is a Complex and is a Complex and highly dynamic highly dynamic molecular Network molecular Network of of interactinginteracting Genes Genes and and non-codifying sequences.non-codifying sequences.. and . and proteinsproteins

Strohman R. , April 2001 Beyond genetic determinism ….Genes Know How to Network…BUT...

Aujourd'hui, nous savons que le génome est un réseau moléculaire uniquele génome est un réseau moléculaire unique, complexe et complexe et dynamique dynamique et qu'il ya un flux ininterrompu d'informations flux ininterrompu d'informations au sein du génome et entre le du génome et entre le génome et génome et l'environnementl'environnement

TCDD

Viruses

HERVs

EMF

3

2

1

SYNERGISM

FLUID EPI-GENOME

4

On peut donc représenter l'On peut donc représenter l'environnementenvironnement comme comme un un flux continu d'informations flux continu d'informations simples (photons, EMF) ou complexes (molécules organiques, xenobiotics) qui interagit avec nos cellules - qui interagit avec nos cellules - les récepteurs transmembranaires, les protéines de transduction du signal, les récepteurs nucléaires, le génome (ADN + épigénome) - les poussant à s'adapter ..

On peut donc représenter l'On peut donc représenter l'environnementenvironnement comme comme un un flux continu d'informations flux continu d'informations simples (photons, EMF) ou complexes (molécules organiques, xenobiotics) qui interagit avec nos cellules - qui interagit avec nos cellules - les récepteurs transmembranaires, les protéines de transduction du signal, les récepteurs nucléaires, le génome (ADN + épigénome) - les poussant à s'adapter ..

DNAdoublehelix(2-nmdiameter)

Metaphase chromosome700nm

Tight helical fiber(30-nm diameter)

Nucleosome(10-nm diameter)

Histones

“Beads ona string”

Supercoil(200-nm diameter)

Campbell NE et al (Eds): Biology: Concepts & Connections4th Edition, 2003

Euchromatin

Heterochromatin

Multiple levelsof packing are required to fit the DNA into the cell nucleus

Multiple levelsof packing are required to fit the DNA into the cell nucleus

.. it has become evident that the genome is a complex molecular system (network) made up not only by DNA sequence, but also by a dynamic and responsive structure of histones and an "epigenetic" cloud of molecules (methyl and acetyl groups, enzymes, transcription factors, microRNAs )..

The Histone tailsare a critical determinant of chromatin structure

The tails of histones could be regarded as the sensory / sensory / receptive receptive componentcomponent of the genome

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 genesDeacetylation is associated with inactive genes(= gene silencing)

DNA methylation

Covalent modification of the DNA is important 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)

Nuclear Receptor DNA Response Element

Histone Lysine Acetylation

Histone Deacetylases.

Histone Acetyltransferases;

Histone Methyltransferases

ATP-dependent Nucleosome Remodeling Complex

Many toxicants cause rapid alterations in

gene expression by activating protein kinase signaling

cascades.

The resulting rapid, defensive alterations

in gene activity require the

transmission of a signal directly to the

histones present in the chromatin of stress

response genes:

within minutes of exposure

the phosphorylation of serine 10 of histone

H3 and the

acetylationof lysines 9 and/or 14

take place

H3-K9 H3-S10

P

Ces modifications sont considérées essentielles pour la réponse à un stress produit par des toxiques

Le lieu de rencontre entre l'information venant de l'environnement et Le lieu de rencontre entre l'information venant de l'environnement et l'information constituant la mémoire de base, fixée dans l'ADN l'information constituant la mémoire de base, fixée dans l'ADN

((hardwarehardware) est l'épigénome () est l'épigénome (softwaresoftware): ): des molécules mimétiques (EDCs) ou des signes de stress ou de

danger provoquent d'importants changements épigénétiques (qui peuvent se fixer si le stimulus persiste)

….particular awareness has aroused a study that documented the presence of (geno) toxic and mutagenic substances in all the umbilical cords tested, demonstrating the ubiquity of embryo-fetal exposure

Mothers Milk: Record levels of toxic fire retardants found in American mothers' breast milk. Washington, DC. Available http://www.ewg.org/reports/mothersmilk/NAS (National Academy of Sciences). 2000. Scientific Frontiers in Developmental Toxicology and Risk Assessment. Committee on Developmental Toxicology. Washington, DC: National Academies Press; EPA (U.S. Environmental Protection Agency). 2003a. America's children and the environment. Measures of contaminants, body burdens, and illnesses. Available online http://www.epa.gov/envirohealth/children.

Dioxin and Dioxin-like molecules

(Ultra)-fine particles

Heavy Metals

Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAH)

Benzene

1

2

3

Fetal Programming

Differentiation

epi-mutations

Cellular Differentiation: an Epigentic process La différenciationdifférenciation se produit à de nombreuses reprises au cours du développement d'un organisme multicellulaire à partir d'un à partir d'un zygotezygote unique unique --> pour aboutir à un système complexe système complexe comprenant comprenant 200 types de cellules 200 types de cellules génétiquement identiques (même ADNgénétiquement identiques (même ADN).. ).. chacune ayant ses propres caractéristiques épigénétiquesépigénétiques et morpho-fonctionnelles

Gamétogenèse. La maturation des cellules germinales Gamétogenèse. La maturation des cellules germinales se caractérise par un degré impressionnant de restructurations cellulaires, régulation des gènes et réorganisations génomiques.. Ces événements sont finement réglés, mais ils sont également mais ils sont également sensibles à l'introduction de divers types d'erreursensibles à l'introduction de divers types d'erreur

1

2

Nature 447, 425-432 (24 May 2007)

PLASTICITE’

et de 9 mois de développement individuel

de 4 milliards d'années de coévolution moléculaire* (en particulier, notre ADN est le produit de ce long parcours) ..

PhylogenèsePhylogenèse

Nous ne devrions jamais oublier que nous sommes en même temps le produit

l'ontogenèse récapitule la phylogenèse

Devo-Evo

(..notre epigénome est le produit de 9 mois de programmation cellulaire et tissulaire adaptative à un environnement qui est en train de changer très vite..

Un risque majeur: les EDCsEDCs et d’autres xénobiotiquesxénobiotiques ((n'étant pas n'étant pas le produit de cette coévolution le produit de cette coévolution moléculairemoléculaire*) peuvent interférer à ce niveau, en agissant comme des pseudo-morphogènespseudo-morphogènes....

OntogenèseOntogenèse

MismatchMismatch ? ?

(2) the Barker Hypothesis which states that an adverse intrauterine environment + (adaptive) fetal programming are emerging as the mean risk factor for non-communicable diseases)

Barker Hypothesis Barker Hypothesis DOHA DOHA

Environmental Regulation of Gene Expression

1

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3

• Una delle simbiosi più interessantiUna delle simbiosi più interessanti, da un punto di vista bio-medico, è quella fra i mammiferi ed i loro microbi dell'intestino. Ricerche recenti dimostrano che che ii batteri dell'intestino regolano alcuni nostri geni intestinali batteri dell'intestino regolano alcuni nostri geni intestinali e che questa regolazione fa parte del normale sviluppo dei mammiferifa parte del normale sviluppo dei mammiferi e che in assenza di questi microbi lo sviluppo stessoin assenza di questi microbi lo sviluppo stesso del nostro intestino del nostro intestino non avverrebbe in modo correttonon avverrebbe in modo corretto..

• La reazione a catena della polimerasi (che permette di identificare anche le specie batteriche che non si sviluppano nei terreni di coltura) ha rivelato che i batteri hanno distribuzioni particolari, nel nostro intestino, cosicché le ca. 400 specie batteriche presenti nel nostro colon sono “stratificate” in regioni specifiche. Qui, possono raggiungere una densità di 1011 cellule/ml.

• Inoltre, siamo co-evoluti con essi, in modo da con-dividere i nostri spazi con loro e in modo tale che le nostre cellule presentano recettori specifici per i le nostre cellule presentano recettori specifici per i nostri simbiontinostri simbionti, , che a loro volta sono che a loro volta sono in grado di indurre e modulare l'espressione genica in grado di indurre e modulare l'espressione genica delle nostre cellule intestinalidelle nostre cellule intestinali

Bry L, Falk P G, Midtvedt T and Gordon J I 1996 A model of host-microbial interactions in an open mammalian ecosystem Science 273 1380–1383

• Moreover, our symbiotic microbes also are involved with the differentiation of our gut and its associated immune system.

• Bacteria are able to induce gene expression in mammalian intestines, and this gene expression is important for normal intestinal development… recent studies have shown that the intestines of germ-free mice can initiate, but not complete, their differentiation.

• To complete development, the microbial symbionts of the gut are needed.

• Another set of bacteria – Bacteroides fragilis and Bacillus subtilis – appear to be needed together in order to induce the formation of the gut-associated lymphoid tissue (GALT).

• GALT mediates mucosal immunity and oral immune tolerance, and its malfunction has been associated with allergies and with Crohn’s disease

• I simbionti collaborano inoltre alla differenziazione differenziazione del nostro intestino e del relativo sistema del nostro intestino e del relativo sistema immuneimmune. .

• Come detto i batteri possono indurre batteri possono indurre l'espressione genica nelle cellule degli intestini l'espressione genica nelle cellule degli intestini di mammiferi e questo è importante per lo di mammiferi e questo è importante per lo sviluppo intestinale normalesviluppo intestinale normale. .. . ..

• Studi recenti hanno dimostrato che nei topi nei topi germ-germ-free free l’intestino può iniziare, ma non portare a l’intestino può iniziare, ma non portare a termine termine correttamente il proprio sviluppocorrettamente il proprio sviluppo. Per completare lo sviluppo, i simbionti microbici dell'intestino sono necessari.

• Un altro setset di batteri - di batteri - Bacteroides fragilisBacteroides fragilis e e bacillus subtilisbacillus subtilis - sembra essere necessario per - sembra essere necessario per indurre indurre la formazione del tessuto linfoide associato la formazione del tessuto linfoide associato all’intestino (GALT). all’intestino (GALT).

• Il GALT media l'immunità delle mucose e la tolleranza immune oraletolleranza immune orale, , la cui disfunzione è stata associata la cui disfunzione è stata associata con allergie e con la malattia di Crohn.con allergie e con la malattia di Crohn.

Hooper L V, Bry L, Falk P G and Gordon J I 1998 Hostmicrobial symbiosis in the mammalian intestine: exploring an internal ecosystem; BioEssays 20 336–343

Hooper L V, Wong M H, Thelin A, Hansson L, Falk P G andGordon J I 2001 Molecular analysis of commensal host–microbial relationships in the intestine; Science 291 881–884

Rook G A and Stanford J L 1998 Give us this day our daily germs Immunol. Today 19 113–116

Steidler L 2001 Microbiological and immunological strategies for treatment of inflammatory bowel disease; Microbes Infect. 3 1157–1166

• We never lack these microbial components; we pick them up from the reproductive tract of our mother as soon as the amnion bursts (scoppia).

• Xu and Gordon describe our microbiota as a “multifunctional organ whose component cell lineages provide metabolic traits that we have not fully evolved in our own genome”.

• These traits include the ability to digest plant polysaccharides, the biotransformation of conjugated bile acids, the synthesis of vitamins K and B12, and the regulation of fat storage.

• Non possiamo fare a meno dei nostri “simbionti”: li acquisiamo alla nascita alla nascita dall’apparato riproduttivo di nostra dall’apparato riproduttivo di nostra madremadre (non appena l’amnios si rompe).

• Xu e Gordon descrivono il nostro ecosistema microbico nei termini di un "organo multifunzionale in cui le varie linee cellulari procariotiche (microbiche ) ci ci forniscono di forniscono di funzioni e competenze funzioni e competenze metaboliche che non sono, per così metaboliche che non sono, per così dire, implementate dal nostro stesso dire, implementate dal nostro stesso genomagenoma ". ".

• Tali funzioni includono la capacità di digerire i polisaccaridi di origine vegetale, la bioconversione degli acidi biliari coniugati, la sintesi delle vitamine K e B12 e la regolazione dell’accumulo dei grassi.

Xu J and Gordon J I 2004 Honor thy symbionts; Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100 10452–10459

Bäckhed F, Ding H, Wang T, Hooper L V, Koh G Y, Nagy A,Semenkovitch C F and Gordon J I 2004 The gut microbiotaas an environmental factor that regulates fat storage; Proc.Natl. Acad. Sci. USA 101 15718–15723

• Therefore, mammals have co-evolved with bacteria such that our bodily phenotypes do not develop properly without them.

• Moreover, just as differentiating cells provide different development functions in the body, so do the different species of bacteria.

• Our distinction between inside and outside, between ecology and development may have to be altered , and Paul Weiss’ description of the developing body as an ecosystem of interacting genes, cells, tissues, and environments seems very appropriate

• I mammiferi sono dunque co-evoluti con I mammiferi sono dunque co-evoluti con

i batteri, i batteri, al punto tale che i nostri al punto tale che i nostri fenotipi corporei non si sviluppano fenotipi corporei non si sviluppano correttamente senza di loro. correttamente senza di loro.

• Inoltre, come le cellule differenziate come le cellule differenziate forniscono l’organismo di differenti forniscono l’organismo di differenti funzioni, funzioni, così fanno le differenti specie batteriche.

• E’ la stessa distinzione tra interno ed esterno, fra ecologia e sviluppo che deve cambiare; e la descrizione di Paul Weiss del nostro nostro organismo in sviluppo come organismo in sviluppo come ecosistema di geni, cellule, tessuti ed ecosistema di geni, cellule, tessuti ed ambienti in continua interazioneambienti in continua interazione sembra assolutamente adeguata.

Gilbert S F 2002 The genome in its ecological context: Philosophical perspectives on interspecies interspecies epigenesis epigenesis Ann. N.Y. Acad. Sci. 981 202–218

Gilbert S F and Bolker J 2003 Ecological developmental biology: Preface to the symposium; Evol. Dev. 5 3–8

Obesity/Metabolic Syndrome

Neurobehavioral Deficits and Diseases

CANCER

Reproductive Diseases/Dysfunctions

Multiorgan Effects of Endocrine Disruptors

In Vitro Fertilization

Semen Abnormalities

ObesogensDOHAD

Asthma and allergies

Psychiatric Diseases

Cardiovascular Diseases

Ipertension

Developmental Time Windows of Vulnerability

Pesticides

Lung Development

Placenta: Prediction of Future Health

Materno Fetal Stress

PARTE IIIPARTE III

Dall’immunogenetica all’ologenomica

Dall’immunogenetica all’ologenomica

Secondo Tauber il vero fondatore della moderna immunologia fu il microbiologo ed embriologo russo Ilja Metchnikoff che comprese per primo che l’infiammazione, fenomeno chiave nell’ambito dell’immunità naturale, è un processo fisiologico, potenzialmente positivo: riparatore e rigenerativo/costruttivo* oltre, prima e più che difensivo ..

Selezione clonale

il 10º Congresso Internazionale di Medicina di Berlino (1890) accolse 7000 partecipanti provenienti da tutto il mondo:oltre 600 americani, 420 russi, 350 inglesi.il 10º Congresso Internazionale di Medicina di Berlino (1890) accolse 7000 partecipanti provenienti da tutto il mondo:oltre 600 americani, 420 russi, 350 inglesi.

Umoralisti Citologisti

Ilja Metchnikoff Paul Ehrlich

Burnet

Roux Driesch

BordetD’Herelle

Jerne

Tolleranza

FagocitiAntitossine

Riduzionisti Olisti.

ontogenesi

morfogenesi

Tauber A. The Lancet (2012 )380 1810-11Tauber A. The Lancet (2012 )380 1810-11 Do I contact myself?Very well then I contradict myself,(I’m large, I contain moltitudes).

Do I contact myself?Very well then I contradict myself,(I’m large, I contain moltitudes).

Walt Whitman

Metchnikoff aveva compreso che se l'organismo umano è un ecosistema, la condizione di salute coincide con l’ortobiosi la malattia con la disbiosi

Bacillus bulgaricus

Metchnikoff aveva concepito l’infiammazione e più in generale l'immunità come l'insieme dei processi di progressiva costruzione e definizione dell'individualità biologica (quella che da Burnet in poi definiamo con il termine Self) prima e più che come processi eminentemente difensivi. Per Metchnikoff il ruolo morfogenetico e (ri)costruttivo dei fagociti era preponderante, tanto nei processi ontogenetici di costruzione dell'organismo nelle prime fasi della vita, che nei processi riparativi ( in ultima analisi a loro volta morfogenetici) nel corso della vita adulta

1

2

La popolazione cellulare endogena rappresenta la parte di gran lunga preponderante della nostra composizione cellulare: 10:1 cellule del nostro organismo 10:1 cellule del nostro organismo sono procarioti

questo microbiota rappresenta un entità molto conservata microbiota rappresenta un entità molto conservata nel corso dell'evoluzione, essendo già presente in animali semplici come i vermi (anellidi). Secondo alcuni autori questo rappresenta anzi una prova significativa della coevoluzione tra coevoluzione tra animali e batteri che data da almeno 800 milioni di anni fa.animali e batteri che data da almeno 800 milioni di anni fa.

E in effetti il microbiota presente in vari organi e tessuti umani e di altri animali microbiota presente in vari organi e tessuti umani e di altri animali presenta notevoli somiglianze nella composizione e nell'organizzazionepresenta notevoli somiglianze nella composizione e nell'organizzazione, il che può essere spiegato soltanto in termini di coevoluzionecoevoluzione o, al limite di evoluzione evoluzione convergenteconvergente… Con interessanti fenomeni di overlappingoverlapping filogenetico, che documentano oltre 50.000 anni di coevoluzione

E in effetti il microbiota presente in vari organi e tessuti umani e di altri animali microbiota presente in vari organi e tessuti umani e di altri animali presenta notevoli somiglianze nella composizione e nell'organizzazionepresenta notevoli somiglianze nella composizione e nell'organizzazione, il che può essere spiegato soltanto in termini di coevoluzionecoevoluzione o, al limite di evoluzione evoluzione convergenteconvergente… Con interessanti fenomeni di overlappingoverlapping filogenetico, che documentano oltre 50.000 anni di coevoluzione

Un altro fenomeno importante, noto da decenni, consiste nella colonizzazione di specifiche “nicchie” tessutali (niches) da parte di specifici microbi: così gli stafilococchi colonizzano la cute, l'Escherichia coli il colon, il lactobacilli la vagina di vari animali

Pur essendoci quindi una certa variabilità nella composizione dei microbiomi individuali, è altrettanto vero che ogni singola nicchia tessutale presenta un microbioma sito- e specie-specifico

In ogni singolo organismo l’ecosistema microbico ha una sua stabilità, ma anche l’ecosistema microbico ha una sua stabilità, ma anche una certa fluidità in relazione alle mutate condizioni di vita e ambientaliuna certa fluidità in relazione alle mutate condizioni di vita e ambientali

Ma soprattutto esistono prove che i cambiamenti ecologici e di stile di vita interferiscono i cambiamenti ecologici e di stile di vita interferiscono enormemente sulla composizione e l'evoluzione del microbiotaenormemente sulla composizione e l'evoluzione del microbiota: per quanto concerne l'epoca attuale indubbiamente l'aumento di igiene, l'utilizzo di acqua clorata, l'aumento l'aumento di igiene, l'utilizzo di acqua clorata, l'aumento dei parti cesarei, la sostituzione del latte materno con latti artificiali, e infine l'uso e la dei parti cesarei, la sostituzione del latte materno con latti artificiali, e infine l'uso e la diffusione sempre più capillare di antibioticidiffusione sempre più capillare di antibiotici e sostanze biocide ha avuto e sta avendo effetti drammatici nella composizione stessa degli ecosistemi endogeni

È noto da decenni, dapprima in ambito zootecnico, poi anche in ambito umano che la differente composizione degli ecosistemi microbici endogeni sta cambiando il metabolismo degli organismi. Così da oltre mezzo secolo sappiamo che l'impiego di antibiotici in zootecnia a effetti significativi sulla crescita e in particolare sull'acquisizione di una maggior massa corporea. Negli Stati Uniti l'utilizzo di antibiotici quali fattori di crescita in zootecnia rappresenta oltre metà del loro uso, con effetti devastanti soprattutto nel campo dell’antibiotico-resistenza

È noto da decenni, dapprima in ambito zootecnico, poi anche in ambito umano che la differente composizione degli ecosistemi microbici endogeni sta cambiando il metabolismo degli organismi. Così da oltre mezzo secolo sappiamo che l'impiego di antibiotici in zootecnia a effetti significativi sulla crescita e in particolare sull'acquisizione di una maggior massa corporea. Negli Stati Uniti l'utilizzo di antibiotici quali fattori di crescita in zootecnia rappresenta oltre metà del loro uso, con effetti devastanti soprattutto nel campo dell’antibiotico-resistenza

trillions of microorganisms, 800 800 species of microbesspecies of microbes

a number of cells 10 times greater number of cells 10 times greater than the number owned by the whole human body

http://www.cbs.dtu.dk/staff/dave/04a_pangenomes_CDC2012.pdf

an extimated set of 3.3 million microbial genes 3.3 million microbial genes (150 times larger than the human gene complement)

.. an enormous set an enormous set of signalling of signalling molecules molecules acting on the whole organism…

Medawar experiment

One of the first observations that shed some light on immunological tolerance was made by Ray Owen in 1945 on dizygotic cattle twins. R Owen noted that: - dizygotic dizygotic cattle twins that shared the same placenta were blood cell chimaerascattle twins that shared the same placenta were blood cell chimaeras, ie contained blood lymphocytes of two different haplotypes in adults and, - these two haplotypes co-existed in the adults without mutual rejection.. Owen correctly concluded that tolerance in these animals resulted from their sharing of the placenta in foetal life, ie from exposure to the antigen during the development of the from exposure to the antigen during the development of the immune systemimmune system.. .. This interpretation was rigorously confirmed and extended in mouse by Peter Medawar and his colleagues who injected newborn mice of CBA strain with spleen cells from a different strain

Tolerance is acquired NOT genetically programmed

Clonal deletion

Clonal anergy

Suppressionby T-reg, CD 25+ ecc..SELF is acquired (epigenetic, metagenomic..)

not immuno-genetically determined Receptor editing

Diaz Heijtz R, Wang S, Anuar F, Qian Y, Björkholm B, Samuelsson A, Hibberd ML, Forssberg H, Pettersson S. Normal gut microbiota modulates brain development and behavior. Proc Natl Acad Sci U S A. (2011) 15;108(7):3047-52.

Here, we report that colonization by gut microbiota impacts colonization by gut microbiota impacts mammalian brain development and subsequent adult mammalian brain development and subsequent adult behaviorbehavior.. This behavioral phenotype is associated with altered altered expression of genes known to be involved in second expression of genes known to be involved in second messenger pathways and synaptic long-term potentiation in messenger pathways and synaptic long-term potentiation in brain brain … our results suggest that the microbial colonization the microbial colonization process initiates signaling mechanisms that affect neuronal process initiates signaling mechanisms that affect neuronal circuits involved in motor control and anxiety behaviorcircuits involved in motor control and anxiety behavior

Cryan JF, Dinan TG. Mind-altering microorganisms: the impact of the gut microbiota on brain and behaviour. Nat Rev Neurosci. (2012);13(10):701-12.

Accumulating data now indicate that the gut microbiota gut microbiota also communicates with the CNS--possibly through neural, endocrine and immune pathways--and thereby influences brain function and behaviourinfluences brain function and behaviour. Studies in germ-free animals and in animals exposed to pathogenic bacterial infections, probiotic bacteria or antibiotic drugs suggest a role for the gut microbiota in the regulation a role for the gut microbiota in the regulation of anxiety, mood, cognition and pain.of anxiety, mood, cognition and pain.

Fetal programming

1

53

2

Ontogenesis

Phylogenesis

Developmental Plasticity

Devo-Evo

4 Mismatch6

7 XX Century Epidemiologic

TransitionEnvironment

From Genetics to Epigenetics

The 7 keys

Project ?

Microbiota

Microbioma

Genoma

Ologenoma

Genoma

DNA

Il ruolo del microbiota nello sviluppo fisiologico e patologico

(dall’immunogenetica all’epigenetica; dalla meta-genomica all’ologenomica)

ERNESTO BURGIOISDE Scientific Committee

ECERI - European Cancer and Environment Research Institute

MargulisMargulis

SymbiontsSymbionts

Fetal programming

1

53

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Ontogenesis

Phylogenesis

Developmental Plasticity

Devo-Evo

4 Mismatch6

7 XX Century Epidemiologic

TransitionEnvironment

From Genetics to Epigenetics

The 7 keys

Project ?

Microbiota

Microbioma

Genoma

Ologenoma

Genoma

DNA

• Siamo abituati ad affrontare il problema delle relazioni relazioni tra uomo, microrganismi e virus tra uomo, microrganismi e virus in modo antropocentrico, antagonistico e riduttivo. Partendo, in pratica, dalle tradizionali domande (come cercherò di dimostrare fuorvianti e pericolose): - quali sono i batteri, i virus e i parassiti patogeni per l’uomo? come agiscono ? - come possiamo difenderci ? Come combatterli ?

Foreword

Uomini, batteri, protozoi e virus

Sarebbe urgente e necessario (e non soltanto per motivi di ordine astratto, concettuale) partire da domande differenti:

- quale ruolo hanno batteri, protozoi e virus nell’ambito della biosfera ? - come e perché si vanno continuamente trasformando ? come cambia il loro rapporto con l’uomo e, più in generale, con gli organismi pluricellulari/eucarioti ?

UN APPROCCIO DIVERSO

Microrganismi essenza della biosferaMicrorganismi essenza della biosfera

Cicli bio-geochimici naturali e… innaturaliCicli bio-geochimici naturali e… innaturali

il “Ciclo degli Estrogeni”il “Ciclo degli Estrogeni”

• Bisognerebbe in primis ricordare come i microrganismi rappresentino l’essenza stessa della biosfera: ne sono infatti di gran lunga la componente fondamentale sul piano sia quantitativo (60-90% della biomassa a seconda che vi si includa o meno la cellulosa) che qualitativo.

• Senza “organismi superiori” la biosfera potrebbe sopravvivere, mentre senza microrganismi l’intera ecosfera collasserebbe: è sufficiente ricordare il ruolo centrale svolto dai batteri nei cicli bio-geochimici e in particolare nel ciclo dell’azoto

Self/Non Self or Danger Signals ?

• Altrettanto importante è ricordare come i microrganismi svolgano il loro prezioso ruolo su questo pianeta da miliardi di anni e come tutte le forme attualmente viventi derivino da essi, ne siano in larga parte costituiti, ne traggano immensi benefici.

• Per quanto concerne più direttamente l’uomo occorre ribadire come spesso ci si dimentichi che senza batteri, parassiti e virus non potremmo sopravvivere: dimenticanza a cui si riconnette il suaccennato atteggiamento antagonistico, che rischiamo di pagare a carissimo prezzo

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1

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2

WHERE DO WE COME FROM ?

https://www.msu.edu/course/lbs/148h/fall2007/0920prokaryotes&viruses.pdf

http

://w

ww

.ucm

p.be

rkel

ey.e

du/a

lllife

/thre

edom

ains

.htm

l

3 Domains3 Domains(see Fig 27.2)

http://whyfiles.org/022critters/archaea.html

1998. The pretty picture we've shown you turns out to be a simplification of reality. Now that the complete genomes of more than a dozen microbes are known, it seems that Eukarya - the higher organisms - may not have sprouted off the Archaea, as Woese supposed. Genetic information from organisms on the three branches of life seem contradictory at this point. As Woese said… "Each picture is different, so there's tremendous confusion." The problem could be rooted in the ability of organisms like bacteria to transfer groups of genes among themselves, or even to engulf other organisms and incorporate their genes. That kind of transfer would make a tree metaphor, with everything tracing back to a common ancestor, less appropriate than a network metaphor, with myriad connections between what we've been calling branches on the tree of life. Woese's Proposed Classification of Lifeforms

(see C&R Fig 26.1 & 26.16)

HGT

Ipotesi – endosimbionti (Lynn Margulis): un batterio dotato di metabolismo anaerobico avrebbe inglobato un battere a metabolismo aerobico (dal quale si sarebbero prodotti i mitocondri mentre il battere ospite avrebbe fornito il nucleo) – ecc..

… … l'inglobamento di microrganismi simbionti e la progressiva formazione di cellule l'inglobamento di microrganismi simbionti e la progressiva formazione di cellule eucariotiche un altro ancora eucariotiche un altro ancora .. e così la costituzione di organismi multicellulari etc … … l'inglobamento di microrganismi simbionti e la progressiva formazione di cellule l'inglobamento di microrganismi simbionti e la progressiva formazione di cellule eucariotiche un altro ancora eucariotiche un altro ancora .. e così la costituzione di organismi multicellulari etc

4

… in tutto questo un ruolo un ruolo enormemente sottovalutato enormemente sottovalutato è svolto dai è svolto dai (retro)virus (retro)virus e dal e dal trasferimento orizzontale di trasferimento orizzontale di sequenze geniche mobili:sequenze geniche mobili:… in particolare per quanto concerne il processo evolutivo proprio degli organismi superiori le maggiori acquisizioni e le maggiori acquisizioni e trasformazioni sono il prodotto trasformazioni sono il prodotto di inserimenti genici..di inserimenti genici..

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… un esempio per tutti: la placentazione. è infatti ormai dimostrato che il sinciziotrofoblasto è il prodotto di una proteina codificata da un retrovirus: quindi i mammiferi sono "figli" dell'inserimento di un retrovirus in genomi di organismi precedenti...

… un esempio per tutti: la placentazione. è infatti ormai dimostrato che il sinciziotrofoblasto è il prodotto di una proteina codificata da un retrovirus: quindi i mammiferi sono "figli" dell'inserimento di un retrovirus in genomi di organismi precedenti...

7

Here .. a viral gene has been sequestered to serve an important function in the physiology of a mammalian host. This gene, encoding a protein that we have called syncytin, is the envelope gene of a recently identified human endogenous defective retrovirus, HERV-W. We find that the major sites of syncytin expression are placental syncytiotrophoblasts, multinucleated cells that originate from fetal trophoblasts. …syncytin may mediate placental cytotrophoblast fusion in vivo, and thus may be important in human placental morphogenesis.

Simplified drawing of the human placental villous structure, showing the cytotrophoblast at different stages of differentiation, syncytial fusion, syncytiotrophoblast differentiation and shedding.

A child in the womb carries foreign antigens from the father as well as immunologicallycompatible self-antigens from the mother.

In the early 1970s, scientists scanning baboon placentas with the electronmicroscope were startled to discover endogenous retroviruses budding from the syncytiotrophoblast. Similar viruses were subsequently detected in the placentas of healthy cats, mice, guineapigs and humans… Genome sequencing reveals that 8% of the human genome consists of human endogenous retroviruses, or HERVs, and, if we extend this to HERV fragments and derivatives, the retroviral legacy amounts to roughly half our DNA. Although many HERVs have been degraded into fragments, they are still readily identifiable from the presence of any of three pathognomonic genes, gag, pol and env, and their flanking long terminal repeats or LTRs …

Events following endogenization of a retrovirus.

I RETROVIRUS SONO I NOSTRI + INTIMI SIMBIONTII RETROVIRUS SONO I NOSTRI + INTIMI SIMBIONTI

il fatto che il genoma dei primati e, in particolare, dell'uomo sia costituito per l'8% da HERVs.. cioè da retrovirus endogeni e per oltre la metà da retrosequenze mobili (che hanno struttura simil-retrovirale)…

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Activation of an ERV through mutation

I RETROVIRUS SONO I NOSTRI + INTIMI SIMBIONTII RETROVIRUS SONO I NOSTRI + INTIMI SIMBIONTI

… che svolgono un ruolo continuo di trasformazione/ingegnerizzazione reattivo-adattativa dell’intero genoma è un dato estremamente importante (Natural Genetic Engineering)

8b

Percentage of non-coding DNA during evolution … AS EUKARYOTIC COMPLEXITY GROWS SO DOES NON-CODING DNA  GREATER THAN 95% OF our DNA LESS THAN 1.5% OF HUMAN GENOME ENCODES PROTEINS, BUT ALL DNA IS TRANSCRIBED 40% OF HUMAN GENOME IS TRANSPOSONS & REPEAT GENETIC ELEMENTS.

about 45% of the human genome is derived from transposon DNA

Despite their parasitic nature…. transposable elements are a powerful force in genome evolution

Transposons (and retroviruses) are natural gene delivery vehicles that are being developed as genetic tools.

( symbiontic !)

Temin (1971..)...

C-Onc V-Onc

Transposable elements can be seen as a natural genetic engineering system capable of acting not just on one location at a time but on the genome as a whole ..This dynamic view of the genome has been illustrated most impressively by Shapiro who stated that the genome is composed of modular units arranged in a “Lego-like” manner that can be altered under certain circumstances

http://www.cbs.dtu.dk/staff/dave/04a_pangenomes_CDC2012.pdf

http://www.flickr.com/photos/7230309@N05/3595535070/

Last Universal Common Ancestor (LUCA)

Guns, germs and steel

The fates of human societies

Armi, acciaio e malattie

Einaudi 1997

Jared Diamond

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 !

Disease is the result of forces within a dynamic system consisting of:

Epidemiologic Triad

M. Tevfik DORAK

8-10mila anni fa…

of David Reed and colleagues and of Mark Stoneking's group who, on the basis of phylogenetic analysis, have speculated that we may have acquired a clade of head lice from another hominid species and pubic lice from gorillas; they have also suggested that lice might help determine the date when humans adopted clothing….

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.

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.

Kittler R, Kayser M, Stoneking M: Molecular evolution of Pediculus humanus and the origin of clothing. Curr Biol 2003, 13:1414-1417.

Weiss RA, McMichael AJ: Social and environmental risk factors in the emergence of infectious diseases. Nat Med 2004, 10:S70-S76.

MICROBIOME

“Microbiome is the

ecological community ecological community of commensal,

symbioticsymbiotic,,

and/or and/or pathogenicpathogenic microorganisms

sharing our body

space”.

The Human Microbiome Projecthttp://www.broadinstitute.org/scientific-community/science/projects/microbiome-projects

For years, bacteria have had a bad name. They are the cause of infections, of diseases. They are something to be scrubbed away, things to be avoided.

But now researchers have taken a detailed look at another set of bacteria that may play even bigger roles in health and disease: the 100 trillion good bacteria that live in or on the human body.

http://www.nytimes.com/2012/06/14/health/human-microbiome-project-decodes-our-100-trillion-good-bacteria.html?_r=0

Cyanobacteria

7 bacterial divisions

Bacteroides

Proteobacteria

Firmicutes

Actinobacteria

Fusobacteria

Verrucomicrobia

The dysbiosis impacts on health

?

Metabolism Immunity

Auto-Immunity

IBDs-Metabolic Syndrome-Atherosclerosis-Depression…

… on development

32

Insulino-resistance Diabetes

Cardiovascular Diseases

La Rivoluzione Epidemiologica

del XX SecoloL’incremento delle patologie cronico-degenerative[immunomediate, neuro-degenerative, endocrine, neoplastiche, cardiocircolatorie]

quale prodotto di una drammatica trasformazione ambientalee di una (conseguente) alterazione del Programming embrio-fetale

Barker Hypothesis (1989)

(1989)

31

2

33

3434

3535

INFLAMMATORY BOWEL DISEASES

3636

++ ENVIRONMENTAL FACTORS

TIPE I DIABETES

X 10

37

• Perchè la celiachia (glutine + DQ2-DQ8 + Permeabilità Intestinale + Gut Ecosystem/TLRs) ha un incremento di circa il 10% annuo in Italia..?

• Perché asthma/allergie di I tipo GC sono passate da una prevalenza dell'1% a 25-30% in meno di un secolo (allergens + genes + flogosis/remodeling) ecc..

• Che legame c'è tra l’incremento epidemico di obesità.. sindrome metabolica.. diabete II.. aterosclerosi e patol.cardiovascolari (genes+epigenetics/phlogosis + TLRs) 

38

• ENVIRONMENT HEALTH• Genome and Epi-genome• The Epidemic Revolution of XXth Century• 3 PATHOGENIC MODELS:

Barker HypothesisHygiene HypothesisSystemic-chronic (low grade) Inflammation

• Back to the NEO-LAMARCKIAN PARADIGM ENVIRONMENT Epigenetic Changes Fetal Programming

Fluid (Epi)genome

2

1

3

1744-18291809-1882

39

Reduced overall microbial burden results in weak Th1 and unrestrained Th2 response.

Contradictions: increasing TH1 dependent autoimmunity. TH2 skewed helminth infection are not associated with allergy

1

40

Karp Ch.

One subject that appears to show a strong correlation is the development of asthma and obesity

41

42

In fact, in numerous animal studies, helminth infestation has protected rodents against colitis, asthma, rheumatoid arthritis, food allergies and type 1 diabetes.

Researchers have conducted few human studies, but most have shown promise. In a clinical trial published in 2005 in the journal Gut, Weinstock asked 29 participants with Crohn's disease (another autoimmune inflammatory bowel condition) to ingest 2,500 pig whipworm eggs every three weeks for six months. Twenty-three patients (79.3 percent) improved significantly, and 21 (72.4 percent) experienced remission.

Il feto è sterile, ma già nel canale vaginale si contamina con i batteri vaginali, con l’ambiente, con le feci della madre; si osserva anche una significativa significativa differenza tra i nati col parto cesareo differenza tra i nati col parto cesareo o col o col parto naturaleparto naturale.

In particolare si ha una maggiore presenza maggiore presenza del del Bacteroides fragilis Bacteroides fragilis nei neonati nei neonati partoriti per via naturalepartoriti per via naturale, rispetto a quelli nati con parto cesareo. [Grönlund et al. J Pediatr Gastroenterol Nutr 1999; 28:19-25]

L’alimentazione nelle prime fasi di vita svolge un ruolo fondamentale nella composizione del microbiota; infatti si osserva una significativa differenza significativa differenza nei neonati allattati al seno nei neonati allattati al seno rispetto a quelli allattati con formularispetto a quelli allattati con formula. . Il conseguimento di un microbiota stabile richiede circa 2 anni. Come si evince dal grafico riportato, nei primi mesi di vita diventano specie nei primi mesi di vita diventano specie predominanti i predominanti i BifidobatteriBifidobatteri, subito dopo i , subito dopo i LactobacilliLactobacilli, successivamente i , successivamente i BacteroidesBacteroides e altre specie. I I ClostridiClostridi rappresentano numericamente la rappresentano numericamente la minoranza minoranza e nel bambino molto piccolo non sono presenti.e nel bambino molto piccolo non sono presenti.

Nell’adulto, si rileva una composizione caratterizzata da stabilità, mentre nell’ultima epoca della vita si hanno di nell’ultima epoca della vita si hanno di nuovo delle variazioninuovo delle variazioni. . Nell’anziano infatti, è stata descritta una riduzione della peristalsi. Ciò può determinare un effetto negativo sulla digestione, come pure l’insorgenza di stipsi e può associarsi a frequenti alterazioni nella composizione del microbiota

van Tongeren SP et al. Appl Environ Microbiol 2005; 71(10);6438-6442].

[Mitsuoka T & Hayakawa K, ZentralBlatt Bakteriol ParasitenKund Infektionskrank Hyg 1973;A223:333-342]

Bacteroides

Lactobacilli,

Bifidobatteri

Il microbiota esercita una sorta di “cross-talk”, come è stato recentemente dimostrato, con le cellule epiteliali: si realizza cioè un dialogo con il sistema immunitario intestinale, il più grande organo di difesa

dell’organismo; in questo modo il microbiota è in grado di modulare la risposta immunitaria.

Gli acidi grassi a catena corta sono molto importanti per il trofismo dei colonociti, in quanto sono in grado di stimolare la proliferazione e la differenziazione delle cellule epiteliali… promuovono l’assorbimento di Ca, Mg, Fe; infine, intervengono nel metabolismo energetico dell’ospite, fornendo il 10% del fabbisogno energetico giornaliero.

Guarner F et al. Lancet 2003; 361: 512–19

L’interazione tra microbi, epitelio e tessuto linfatico intestinale (GALT) contribuisce allo sviluppo della memoria immunitaria, cruciale nelle prime fasi di vita come nell’adulto e consente il continuo rimodellamento dell’immunità

Gasbarrini A et al. Ann Ital Med Int 2004; 19 (Suppl 3): 27S-45S

Guarner F et al. Lancet 2003;361:512-519

MICROBIOTA AND IMMUNE SYSTEM

Commensal bacteria regulate:mucus production in goblet cellsdefensin release from Paneth cellstight junction protein synthesis.

Commensal bacteria are:the first line of defense first line of defense against infection

Commensal bacteria preventbacteria preventthe colonisation of pathogens the colonisation of pathogens in the gut and regulate the mucosal immune system.

Tutti i microbiomi hanno queste caratteristiche nei confronti del sistema immunitario

Pseudomonas, Proteus, Stafilococcus, Veillonella, Clostridia sono in grado di produrre nitrosamine, fenoli, cresoli e altre amine potenzialmentecarcinogene.

*

*

Sono nocivi in particolari condizioni i generi E. Coli, enterococchi, streptococchi e batteroidi

C. difficile is the most significant cause of pseudomembranous colitis. It is a severe infection of the colon, often happening after normal gut flora is eradicated by use of antibiotics. The C. difficileC. difficile bacteria, which bacteria, which naturally reside in the body, become naturally reside in the body, become overgrown:overgrown: The overgrowth is harmful because the bacterium releases toxins that can cause bloating, constipation, and diarrhea with abdominal pain, which may become severe.

CHANGING GUT ECOSYSTEM !!DECREASING/CHANGING USUAL ANTIGENIC CHALLENGEATOPY (+

TH2?)HYGIENE HYPOTHESISAutoimmunity (+ TH1?)

ATOPY

52

Children born by Caesarean section have modified intestinal bacterial colonization and consequently may have an increased risk of developing asthma under the hygiene hypothesis.

In this meta-analysis, we found a 20% increase in the subsequent risk of asthma in children who had been delivered by Caesarean section.

Allergic diseasecorrelations between allergic diseases and altered fecal microbiota, antibiotic use, and dietary changes have beenn made.

in allergic patientes there is an in allergic patientes there is an increased prevalence ofincreased prevalence of B. B. fragilisfragilis and higher counts of and higher counts of StaphylococcusStaphylococcus aureusaureus and and E. coliE. coli

the gut microbiota clearly differs between allergic and non allergic people

Irritable bowel syndrome

irritable bowel syndrome is associated with abnormal intestinal microbial communities

their signifcance in the pathogenesis of ibs remains unclear

Frank DN, St Anand AL, Feldman RA, Boedeker EC, Harpaz N, Pace NR. Molecular-phylogenetic characterization of microbial community imbalances in human inflammatory bowel disease. Proc Natl Acad Sci U S A 2007;104:13780-5.

1 GLIADIN

2 DQ2 – DQ8

3 GUT PERMEABILITY

4 GUT ECOSYSTEM

More than 50% of the world's population harbour H. pylori in their upper gastrointestinal tract. Infection is more prevalent in developing countries.

There is now considerable evidence that H. pylori has colonized the stomach of humans for more than 100,000 years. Its persistence and ubiquity before modern times suggest selection for its presence, possibly based on enhanced protection against diarrhoeal diseases and improved energy homeostasis

( leptin/ghrelin-mediated..)In response to changing hygiene demographics and antibiotic usage, H. pylori is disappearing

Martin J Blaser Who are we? EMBO reports (2006) 7, 956 – 960

A fat-enriched diet induces a modification in the intestinal microbiotaA fat-enriched diet induces a modification in the intestinal microbiota . Some intestinal bacteria intestinal bacteria translocate into the host by means of the innate immune system, which infiltrates into the metabolic translocate into the host by means of the innate immune system, which infiltrates into the metabolic tissues such as the adipose depot and the liver. tissues such as the adipose depot and the liver. The intracellular bacteria and the bacterial antigens further enhance local inflammation leading to the secretion of inflammatory mediators that impair inflammatory mediators that impair insulin secretion, insulin action and further trigger adipose tissue developmentinsulin secretion, insulin action and further trigger adipose tissue development .

Immuno-microbiota cross and talk: The new paradigm of metabolic diseasesSeminars in ImmunologyVolume 24, Issue 1, February 2012, Pages 67–74

Metabolic disease

OBESITY

DIABETES MELLITUS TYPE 2

Colorectal cancerGenetic and induced models of intestinal neoplasia have shown that, under germ-free conditions, colitis and tumor formation are reduced

In vivo colonization of B. fragilis has been linked to the development of colorectal colorectal cancercancer

Colorectal cancer patientsColorectal cancer patients demonstrate decreased levels of Enterococcaceae and Fusobacteriaceae compared to healty people, and a signifcant elevation of Bacteroides-elevation of Bacteroides-Prevotella populationPrevotella population

From Genetics to EpigeneticsThe Times They Are A-Changin'

Berlin-Potsdam,7-9 November 2011PARTE IIPARTE II

ERNESTO BURGIOERNESTO BURGIOISDE Scientific CommitteeISDE Scientific Committee ECERI - ECERI - European Cancer European Cancer and Environment Research and Environment Research InstituteInstitute

We are rather stable (for millions of years) both genetically and phenotypically

65

The chimpanzee Dna is for 98.77% identical to the human . On average, a gene encoding a protein in a man differs from its chimpanzee ortholog by only two aa substitutions .. almost one third of human genes has exactly the same protein translation as their orthologs

in chimpanzee

Species phylogeny

Orangutan Gorilla Chimpanzee Human

From the Tree of the Life Website,University of Arizona

Sanger Institute

We are quite stable (for millions of years) both

genetically and phenotypically

Evo

A phylogeny is a tree representation for the evolutionary history relating the species we are interested in.This is an example of a 13-species phylogeny.At each leaf of the tree is a species – we also call it a taxon in phylogenetics (plural form is taxa). They are all distinct.Each internal node corresponds to a speciation event in the past.When reconstructing the phylogeny we compare the characteristics of the taxa, such as their appearance, physiological features, or the composition of the genetic material.

Chimpanzee-human divergence

Chimpanzees Humans

6-8millionyears

Hominids or hominins

Brain:a rapidly evolving Organ ?

Evo

The larvae that develop into workers and queens are genetically identicalgenetically identical. But as a result of the royal jelly diet, as a result of the royal jelly diet, the queen will develop functional the queen will develop functional ovaries and a larger abdomenovaries and a larger abdomen for egg laying

A Bee's Royal Diet

Queen Bee Larvae: Queens are raised in specially-constructed cells called "queen cups," which are filled with royal jelly.

Kucharski R., Maleszka J., Foret S., Maleszka R. Nutritional Control of Reproductive Status in Honeybees via DNA Methylation Science (2008) 319: 1827-1830

Epigenetic modifications : a molecular environmentally induced effect

Genetics

Critical determinants

of the epigenomeEnvironment

NurtureNature

Daily

(low intensity) enviromental events

Acute enviroemental events

Genetic Mutations etc. Epi-Mutations

CH

AN

GIN

G E

PIG

EN

OM

E

And Alzheimer Disease ?

Celiac DiseaseWhy this disease is concordant

in only 60% to 70% of identical twins.

Fraga et al., PNAS. 2005.

Devo

ALTHOUGH TWINS ARE EPIGENETICALLY INDISTINGUISHABLE DURING THE EARLY YEARS OF LIFE…ALTHOUGH TWINS ARE EPIGENETICALLY INDISTINGUISHABLE DURING THE EARLY YEARS OF LIFE…

1

70

… although twins are epigenetically indistinguishable during the early years of life, … older monozygous older monozygous twins exhibited twins exhibited remarkable remarkable differences in differences in their overall content overall content and genomic distribution of 5-methylcytosine DNA and histone acetylation, affecting their gene-expression portrait.

3-year-old twins 50-year-old twins3-year-old twins 50-year-old twins

Epigenetic differences in homozygotic twins

Fraga et al., PNAS. Jul 26 (2005);102(30):10604-9..Epigenetic differences arise during Epigenetic differences arise during the lifetimethe lifetime of monozygotic twins

71

Interphase chromosomes Mitotic chromosome

Euchromatin

Heterochromatin

...revolving around it and playing an important role in transferring information from outside to DNA and in modulating the response, to the extent that some scientists have used the term natural genetic engineering

What’s Epigenetics ?What’s Epigenetics ?

72

Pour citer le biologiste moléculaire Richard C. Strohmann : l'ère de l'ère de Watson et CrickWatson et Crick, qui a commencé , qui a commencé comme une comme une théorie du gène a évolué à tort dans une théorie et le paradigme de la viethéorie du gène a évolué à tort dans une théorie et le paradigme de la vie : c'est a dire, : c'est a dire, dans une dans une forme revivifiée et soigneusement moléculaire du déterminisme génétiqueforme revivifiée et soigneusement moléculaire du déterminisme génétique

Pour citer le biologiste moléculaire Richard C. Strohmann : l'ère de l'ère de Watson et CrickWatson et Crick, qui a commencé , qui a commencé comme une comme une théorie du gène a évolué à tort dans une théorie et le paradigme de la viethéorie du gène a évolué à tort dans une théorie et le paradigme de la vie : c'est a dire, : c'est a dire, dans une dans une forme revivifiée et soigneusement moléculaire du déterminisme génétiqueforme revivifiée et soigneusement moléculaire du déterminisme génétique

Le Dogme Central de CrickDogme Central de Crick: Une fois l'information a pénétré dans une protéine ne peut pas sortir à nouveau (one direction-linear flow of informationone direction-linear flow of information)

73

Francis Crick's statement of the central dogma, from an early draft of Crick (1958), available at http://profiles.nlm.nih.gov/SC/B/B/F/T/_/scbbft.pdf.

http://news.sciencemag.org/sciencenow/2009/04/21-03.htmlIN FACT GenesIN FACT Genes need to be told need to be told to switch “off” and “on”:to switch “off” and “on”:• Genes need to be told how much expression (protein) is required and where.• Genes need to be regulated Genes need to be regulated – this regulation is not performed by DNAregulation is not performed by DNA but by but by many other controls arranged in a many other controls arranged in a complex complex networknetwork

• DNA has been called the Book of Life by the Human Genome Project scientists, but many other biologists consider DNA to be DNA to be simply a random collection of words simply a random collection of words from from which a meaningful story of life may be which a meaningful story of life may be assembled…assembled…• In In order to assemble that meaningful story, a living cell uses a second cell uses a second informational systeminformational system. (...) The key concept here is that these dynamic-epigenetic these dynamic-epigenetic networks have a life of their own —they networks have a life of their own —they follow network-rules not specified by DNAfollow network-rules not specified by DNA

From directing the fate of stem cells to determining how.. we grow, the genes in our the genes in our body body act in complex networks..act in complex networks.. the whole whole GenomeGenome is a Complex and is a Complex and highly dynamic highly dynamic molecular Network molecular Network of of interactinginteracting Genes Genes and and non-codifying sequences.non-codifying sequences.. and . and proteinsproteins

Strohman R. , April 2001 Beyond genetic determinism ….Genes Know How to Network…BUT...

Aujourd'hui, nous savons que le génome est un réseau moléculaire uniquele génome est un réseau moléculaire unique , complexe et complexe et dynamique dynamique et qu'il ya un flux ininterrompu d'informations flux ininterrompu d'informations au sein du génome et entre le du génome et entre le génome et génome et l'environnementl'environnement

7575

TCDD

Viruses

HERVs

EMF

3

2

1

SYNERGISM

FLUID EPI-GENOME

4

On peut donc représenter l'On peut donc représenter l'environnementenvironnement comme comme un un flux continu d'informations flux continu d'informations simples (photons, EMF) ou complexes (molécules organiques, xenobiotics) qui interagit avec nos cellules - qui interagit avec nos cellules - les récepteurs transmembranaires, les protéines de transduction du signal, les récepteurs nucléaires, le génome (ADN + épigénome) - les poussant à s'adapter ..

On peut donc représenter l'On peut donc représenter l'environnementenvironnement comme comme un un flux continu d'informations flux continu d'informations simples (photons, EMF) ou complexes (molécules organiques, xenobiotics) qui interagit avec nos cellules - qui interagit avec nos cellules - les récepteurs transmembranaires, les protéines de transduction du signal, les récepteurs nucléaires, le génome (ADN + épigénome) - les poussant à s'adapter ..

Il quadro che sembra delinearsi è quello di un meccanismo patogenetico complesso, nel quale numerosi fattori ambientali potenzialmente (epi)mutageni fungerebbero da induttori di un processo reattivo/difensivo/adattativo, in genere specifico del tessuto colpito.

DNAdoublehelix(2-nmdiameter)

Metaphase chromosome700nm

Tight helical fiber(30-nm diameter)

Nucleosome(10-nm diameter)

Histones

“Beads ona string”

Supercoil(200-nm diameter)

Campbell NE et al (Eds): Biology: Concepts & Connections4th Edition, 2003

Euchromatin

Heterochromatin

Multiple levelsof packing are required to fit the DNA into the cell nucleus

Multiple levelsof packing are required to fit the DNA into the cell nucleus

.. it has become evident that the genome is a complex molecular system (network) made up not only by DNA sequence, but also by a dynamic and responsive structure of histones and an "epigenetic" cloud of molecules (methyl and acetyl groups, enzymes, transcription factors, microRNAs )..

In fact it has become evident that the genome is a complex molecular system (network) made up not only by DNA sequence, but also by a dynamic and responsive structure of histones and an "epigenetic" cloud of molecules (methyl and acetyl groups, enzymes, transcription factors, microRNAs ..) revolving around it and playing an important role in transferring information from outside to DNA and in modulating the response, to the extent that some scientists have used the term natural genetic engineering.

76

7777

The Histone tailsare a critical determinant of chromatin structure

The tails of histones could be regarded as the sensory / sensory / receptive receptive componentcomponent of the genome

78

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 genesDeacetylation is associated with inactive genes(= gene silencing)

79

DNA methylation

Covalent modification of the DNA is important 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)

Nuclear Receptor DNA Response Element

Histone Lysine Acetylation

Histone Deacetylases.

Histone Acetyltransferases;

Histone Methyltransferases

ATP-dependent Nucleosome Remodeling Complex

Many toxicants cause rapid alterations in

gene expression by activating protein kinase signaling

cascades.

The resulting rapid, defensive alterations

in gene activity require the

transmission of a signal directly to the

histones present in the chromatin of stress

response genes:

within minutes of exposure

the phosphorylation of serine 10 of histone

H3 and the

acetylationof lysines 9 and/or 14

take place

H3-K9 H3-S10

P

Ces modifications sont considérées essentielles pour la réponse à un stress produit par des toxiques

Le lieu de rencontre entre l'information venant de l'environnement et Le lieu de rencontre entre l'information venant de l'environnement et l'information constituant la mémoire de base, fixée dans l'ADN l'information constituant la mémoire de base, fixée dans l'ADN

((hardwarehardware) est l'épigénome () est l'épigénome (softwaresoftware): ): des molécules mimétiques (EDCs) ou des signes de stress ou de

danger provoquent d'importants changements épigénétiques (qui peuvent se fixer si le stimulus persiste)

….particular awareness has aroused a study that documented the presence of (geno) toxic and mutagenic substances in all the umbilical cords tested, demonstrating the ubiquity of embryo-fetal exposure

Mothers Milk: Record levels of toxic fire retardants found in American mothers' breast milk. Washington, DC. Available http://www.ewg.org/reports/mothersmilk/NAS (National Academy of Sciences). 2000. Scientific Frontiers in Developmental Toxicology and Risk Assessment. Committee on Developmental Toxicology. Washington, DC: National Academies Press; EPA (U.S. Environmental Protection Agency). 2003a. America's children and the environment. Measures of contaminants, body burdens, and illnesses. Available online http://www.epa.gov/envirohealth/children.

Dioxin and Dioxin-like molecules

(Ultra)-fine particles

Heavy Metals

Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAH)

Benzene

1

2

3

Fetal Programming

Differentiation

epi-mutations

Cellular Differentiation: an Epigentic process La différenciationdifférenciation se produit à de nombreuses reprises au cours du développement d'un organisme multicellulaire à partir d'un à partir d'un zygotezygote unique unique --> pour aboutir à un système complexe système complexe comprenant comprenant 200 types de cellules 200 types de cellules génétiquement identiques (même ADNgénétiquement identiques (même ADN).. ).. chacune ayant ses propres caractéristiques épigénétiquesépigénétiques et morpho-fonctionnelles

Gamétogenèse. La maturation des cellules germinales Gamétogenèse. La maturation des cellules germinales se caractérise par un degré impressionnant de restructurations cellulaires, régulation des gènes et réorganisations génomiques.. Ces événements sont finement réglés, mais ils sont également mais ils sont également sensibles à l'introduction de divers types d'erreursensibles à l'introduction de divers types d'erreur

1

2

Nature 447, 425-432 (24 May 2007)

PLASTICITE’

82

et de 9 mois de développement individuel

de 4 milliards d'années de coévolution moléculaire* (en particulier, notre ADN est le produit de ce long parcours) ..

PhylogenèsePhylogenèse

Nous ne devrions jamais oublier que nous sommes en même temps le produit

l'ontogenèse récapitule la phylogenèse

Devo-Evo

(..notre epigénome est le produit de 9 mois de programmation cellulaire et tissulaire adaptative à un environnement qui est en train de changer très vite..

Un risque majeur: les EDCsEDCs et d’autres xénobiotiquesxénobiotiques ((n'étant pas n'étant pas le produit de cette coévolution le produit de cette coévolution moléculairemoléculaire*) peuvent interférer à ce niveau, en agissant comme des pseudo-morphogènespseudo-morphogènes....

OntogenèseOntogenèse

MismatchMismatch ? ?

85

(2) the Barker Hypothesis which states that an adverse intrauterine environment + (adaptive) fetal programming are emerging as the mean risk factor for non-communicable diseases)

Barker Hypothesis Barker Hypothesis DOHA DOHA

86

Environmental Regulation of Gene Expression

1

2

3

87

• Una delle simbiosi più interessantiUna delle simbiosi più interessanti, da un punto di vista bio-medico, è quella fra i mammiferi ed i loro microbi dell'intestino. Ricerche recenti dimostrano che che ii batteri dell'intestino regolano alcuni nostri geni intestinali batteri dell'intestino regolano alcuni nostri geni intestinali e che questa regolazione fa parte del normale sviluppo dei mammiferifa parte del normale sviluppo dei mammiferi e che in assenza di questi microbi lo sviluppo stessoin assenza di questi microbi lo sviluppo stesso del nostro intestino del nostro intestino non avverrebbe in modo correttonon avverrebbe in modo corretto..

• La reazione a catena della polimerasi (che permette di identificare anche le specie batteriche che non si sviluppano nei terreni di coltura) ha rivelato che i batteri hanno distribuzioni particolari, nel nostro intestino, cosicché le ca. 400 specie batteriche presenti nel nostro colon sono “stratificate” in regioni specifiche. Qui, possono raggiungere una densità di 1011 cellule/ml.

• Inoltre, siamo co-evoluti con essi, in modo da con-dividere i nostri spazi con loro e in modo tale che le nostre cellule presentano recettori specifici per i le nostre cellule presentano recettori specifici per i nostri simbiontinostri simbionti, , che a loro volta sono che a loro volta sono in grado di indurre e modulare l'espressione genica in grado di indurre e modulare l'espressione genica delle nostre cellule intestinalidelle nostre cellule intestinali

Bry L, Falk P G, Midtvedt T and Gordon J I 1996 A model of host-microbial interactions in an open mammalian ecosystem Science 273 1380–1383

• Moreover, our symbiotic microbes also are involved with the differentiation of our gut and its associated immune system.

• Bacteria are able to induce gene expression in mammalian intestines, and this gene expression is important for normal intestinal development… recent studies have shown that the intestines of germ-free mice can initiate, but not complete, their differentiation.

• To complete development, the microbial symbionts of the gut are needed.

• Another set of bacteria – Bacteroides fragilis and Bacillus subtilis – appear to be needed together in order to induce the formation of the gut-associated lymphoid tissue (GALT).

• GALT mediates mucosal immunity and oral immune tolerance, and its malfunction has been associated with allergies and with Crohn’s disease

• I simbionti collaborano inoltre alla differenziazione differenziazione del nostro intestino e del relativo sistema del nostro intestino e del relativo sistema immuneimmune. .

• Come detto i batteri possono indurre batteri possono indurre l'espressione genica nelle cellule degli intestini l'espressione genica nelle cellule degli intestini di mammiferi e questo è importante per lo di mammiferi e questo è importante per lo sviluppo intestinale normalesviluppo intestinale normale. .. . ..

• Studi recenti hanno dimostrato che nei topi nei topi germ-germ-free free l’intestino può iniziare, ma non portare a l’intestino può iniziare, ma non portare a termine termine correttamente il proprio sviluppocorrettamente il proprio sviluppo. Per completare lo sviluppo, i simbionti microbici dell'intestino sono necessari.

• Un altro setset di batteri - di batteri - Bacteroides fragilisBacteroides fragilis e e bacillus subtilisbacillus subtilis - sembra essere necessario per - sembra essere necessario per indurre indurre la formazione del tessuto linfoide associato la formazione del tessuto linfoide associato all’intestino (GALT). all’intestino (GALT).

• Il GALT media l'immunità delle mucose e la tolleranza immune oraletolleranza immune orale, , la cui disfunzione è stata associata la cui disfunzione è stata associata con allergie e con la malattia di Crohn.con allergie e con la malattia di Crohn.

Hooper L V, Bry L, Falk P G and Gordon J I 1998 Hostmicrobial symbiosis in the mammalian intestine: exploring an internal ecosystem; BioEssays 20 336–343

Hooper L V, Wong M H, Thelin A, Hansson L, Falk P G andGordon J I 2001 Molecular analysis of commensal host–microbial relationships in the intestine; Science 291 881–884

Rook G A and Stanford J L 1998 Give us this day our daily germs Immunol. Today 19 113–116

Steidler L 2001 Microbiological and immunological strategies for treatment of inflammatory bowel disease; Microbes Infect. 3 1157–1166

• We never lack these microbial components; we pick them up from the reproductive tract of our mother as soon as the amnion bursts (scoppia).

• Xu and Gordon describe our microbiota as a “multifunctional organ whose component cell lineages provide metabolic traits that we have not fully evolved in our own genome”.

• These traits include the ability to digest plant polysaccharides, the biotransformation of conjugated bile acids, the synthesis of vitamins K and B12, and the regulation of fat storage.

• Non possiamo fare a meno dei nostri “simbionti”: li acquisiamo alla nascita alla nascita dall’apparato riproduttivo di nostra dall’apparato riproduttivo di nostra madremadre (non appena l’amnios si rompe).

• Xu e Gordon descrivono il nostro ecosistema microbico nei termini di un "organo multifunzionale in cui le varie linee cellulari procariotiche (microbiche ) ci ci forniscono di forniscono di funzioni e competenze funzioni e competenze metaboliche che non sono, per così metaboliche che non sono, per così dire, implementate dal nostro stesso dire, implementate dal nostro stesso genomagenoma ". ".

• Tali funzioni includono la capacità di digerire i polisaccaridi di origine vegetale, la bioconversione degli acidi biliari coniugati, la sintesi delle vitamine K e B12 e la regolazione dell’accumulo dei grassi.

Xu J and Gordon J I 2004 Honor thy symbionts; Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100 10452–10459

Bäckhed F, Ding H, Wang T, Hooper L V, Koh G Y, Nagy A,Semenkovitch C F and Gordon J I 2004 The gut microbiotaas an environmental factor that regulates fat storage; Proc.Natl. Acad. Sci. USA 101 15718–15723

• Therefore, mammals have co-evolved with bacteria such that our bodily phenotypes do not develop properly without them.

• Moreover, just as differentiating cells provide different development functions in the body, so do the different species of bacteria.

• Our distinction between inside and outside, between ecology and development may have to be altered , and Paul Weiss’ description of the developing body as an ecosystem of interacting genes, cells, tissues, and environments seems very appropriate

• I mammiferi sono dunque co-evoluti con I mammiferi sono dunque co-evoluti con i batteri, i batteri, al punto tale che i nostri al punto tale che i nostri fenotipi corporei non si sviluppano fenotipi corporei non si sviluppano correttamente senza di loro. correttamente senza di loro.

• Inoltre, come le cellule differenziate come le cellule differenziate forniscono l’organismo di differenti forniscono l’organismo di differenti funzioni, funzioni, così fanno le differenti specie batteriche.

• E’ la stessa distinzione tra interno ed esterno, fra ecologia e sviluppo che deve cambiare; e la descrizione di Paul Weiss del nostro nostro organismo in sviluppo come organismo in sviluppo come ecosistema di geni, cellule, tessuti ed ecosistema di geni, cellule, tessuti ed ambienti in continua interazioneambienti in continua interazione sembra assolutamente adeguata.

Gilbert S F 2002 The genome in its ecological context: Philosophical perspectives on interspecies interspecies epigenesis epigenesis Ann. N.Y. Acad. Sci. 981 202–218

Gilbert S F and Bolker J 2003 Ecological developmental biology: Preface to the symposium; Evol. Dev. 5 3–8

Obesity/Metabolic Syndrome

Neurobehavioral Deficits and Diseases

CANCER

Reproductive Diseases/Dysfunctions

Multiorgan Effects of Endocrine Disruptors

In Vitro Fertilization

Semen Abnormalities

ObesogensDOHAD

Asthma and allergies

Psychiatric Diseases

Cardiovascular Diseases

Ipertension

Developmental Time Windows of Vulnerability

Pesticides

Lung Development

Placenta: Prediction of Future Health

Materno Fetal Stress

PARTE IIIPARTE III

Dall’immunogenetica all’ologenomica

Dall’immunogenetica all’ologenomica

Secondo Tauber il vero fondatore della moderna immunologia fu il microbiologo ed embriologo russo Ilja Metchnikoff che comprese per primo che l’infiammazione, fenomeno chiave nell’ambito dell’immunità naturale, è un processo fisiologico, potenzialmente positivo: riparatore e rigenerativo/costruttivo* oltre, prima e più che difensivo ..

Selezione clonale

il 10º Congresso Internazionale di Medicina di Berlino (1890) accolse 7000 partecipanti provenienti da tutto il mondo:oltre 600 americani, 420 russi, 350 inglesi.il 10º Congresso Internazionale di Medicina di Berlino (1890) accolse 7000 partecipanti provenienti da tutto il mondo:oltre 600 americani, 420 russi, 350 inglesi.

Umoralisti Citologisti

Ilja Metchnikoff Paul Ehrlich

Burnet

Roux Driesch

BordetD’Herelle

Jerne

Tolleranza

FagocitiAntitossine

Riduzionisti Olisti.

ontogenesi

morfogenesi

Tauber A. The Lancet (2012 )380 1810-11Tauber A. The Lancet (2012 )380 1810-11 Do I contact myself?Very well then I contradict myself,(I’m large, I contain moltitudes).

Do I contact myself?Very well then I contradict myself,(I’m large, I contain moltitudes).

Walt Whitman

Metchnikoff aveva compreso che se l'organismo umano è un ecosistema, la condizione di salute coincide con l’ortobiosi la malattia con la disbiosi

Bacillus bulgaricus

Metchnikoff aveva concepito l’infiammazione e più in generale l'immunità come l'insieme dei processi di progressiva costruzione e definizione dell'individualità biologica (quella che da Burnet in poi definiamo con il termine Self) prima e più che come processi eminentemente difensivi. Per Metchnikoff il ruolo morfogenetico e (ri)costruttivo dei fagociti era preponderante, tanto nei processi ontogenetici di costruzione dell'organismo nelle prime fasi della vita, che nei processi riparativi ( in ultima analisi a loro volta morfogenetici) nel corso della vita adulta

1

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La popolazione cellulare endogena rappresenta la parte di gran lunga preponderante della nostra composizione cellulare: 10:1 cellule del nostro organismo 10:1 cellule del nostro organismo sono procarioti

questo microbiota rappresenta un entità molto conservata microbiota rappresenta un entità molto conservata nel corso dell'evoluzione, essendo già presente in animali semplici come i vermi (anellidi). Secondo alcuni autori questo rappresenta anzi una prova significativa della coevoluzione tra coevoluzione tra animali e batteri che data da almeno 800 milioni di anni fa.animali e batteri che data da almeno 800 milioni di anni fa.

E in effetti il microbiota presente in vari organi e tessuti umani e di altri animali microbiota presente in vari organi e tessuti umani e di altri animali presenta notevoli somiglianze nella composizione e nell'organizzazionepresenta notevoli somiglianze nella composizione e nell'organizzazione, il che può essere spiegato soltanto in termini di coevoluzionecoevoluzione o, al limite di evoluzione evoluzione convergenteconvergente… Con interessanti fenomeni di overlappingoverlapping filogenetico, che documentano oltre 50.000 anni di coevoluzione

E in effetti il microbiota presente in vari organi e tessuti umani e di altri animali microbiota presente in vari organi e tessuti umani e di altri animali presenta notevoli somiglianze nella composizione e nell'organizzazionepresenta notevoli somiglianze nella composizione e nell'organizzazione, il che può essere spiegato soltanto in termini di coevoluzionecoevoluzione o, al limite di evoluzione evoluzione convergenteconvergente… Con interessanti fenomeni di overlappingoverlapping filogenetico, che documentano oltre 50.000 anni di coevoluzione

Un altro fenomeno importante, noto da decenni, consiste nella colonizzazione di specifiche “nicchie” tessutali (niches) da parte di specifici microbi: così gli stafilococchi colonizzano la cute, l'Escherichia coli il colon, il lactobacilli la vagina di vari animali

Pur essendoci quindi una certa variabilità nella composizione dei microbiomi individuali, è altrettanto vero che ogni singola nicchia tessutale presenta un microbioma sito- e specie-specifico

In ogni singolo organismo l’ecosistema microbico ha una sua stabilità, ma anche l’ecosistema microbico ha una sua stabilità, ma anche una certa fluidità in relazione alle mutate condizioni di vita e ambientaliuna certa fluidità in relazione alle mutate condizioni di vita e ambientali

Ma soprattutto esistono prove che i cambiamenti ecologici e di stile di vita interferiscono i cambiamenti ecologici e di stile di vita interferiscono enormemente sulla composizione e l'evoluzione del microbiotaenormemente sulla composizione e l'evoluzione del microbiota: per quanto concerne l'epoca attuale indubbiamente l'aumento di igiene, l'utilizzo di acqua clorata, l'aumento l'aumento di igiene, l'utilizzo di acqua clorata, l'aumento dei parti cesarei, la sostituzione del latte materno con latti artificiali, e infine l'uso e la dei parti cesarei, la sostituzione del latte materno con latti artificiali, e infine l'uso e la diffusione sempre più capillare di antibioticidiffusione sempre più capillare di antibiotici e sostanze biocide ha avuto e sta avendo effetti drammatici nella composizione stessa degli ecosistemi endogeni

È noto da decenni, dapprima in ambito zootecnico, poi anche in ambito umano che la differente composizione degli ecosistemi microbici endogeni sta cambiando il metabolismo degli organismi. Così da oltre mezzo secolo sappiamo che l'impiego di antibiotici in zootecnia a effetti significativi sulla crescita e in particolare sull'acquisizione di una maggior massa corporea. Negli Stati Uniti l'utilizzo di antibiotici quali fattori di crescita in zootecnia rappresenta oltre metà del loro uso, con effetti devastanti soprattutto nel campo dell’antibiotico-resistenza

È noto da decenni, dapprima in ambito zootecnico, poi anche in ambito umano che la differente composizione degli ecosistemi microbici endogeni sta cambiando il metabolismo degli organismi. Così da oltre mezzo secolo sappiamo che l'impiego di antibiotici in zootecnia a effetti significativi sulla crescita e in particolare sull'acquisizione di una maggior massa corporea. Negli Stati Uniti l'utilizzo di antibiotici quali fattori di crescita in zootecnia rappresenta oltre metà del loro uso, con effetti devastanti soprattutto nel campo dell’antibiotico-resistenza

trillions of microorganisms, 800 800 species of microbesspecies of microbes

a number of cells 10 times greater number of cells 10 times greater than the number owned by the whole human body

http://www.cbs.dtu.dk/staff/dave/04a_pangenomes_CDC2012.pdf

an extimated set of 3.3 million microbial genes 3.3 million microbial genes (150 times larger than the human gene complement)

.. an enormous set an enormous set of signalling of signalling molecules molecules acting on the whole organism…

Medawar experiment

One of the first observations that shed some light on immunological tolerance was made by Ray Owen in 1945 on dizygotic cattle twins. R Owen noted that: - dizygotic dizygotic cattle twins that shared the same placenta were blood cell chimaerascattle twins that shared the same placenta were blood cell chimaeras, ie contained blood lymphocytes of two different haplotypes in adults and, - these two haplotypes co-existed in the adults without mutual rejection.. Owen correctly concluded that tolerance in these animals resulted from their sharing of the placenta in foetal life, ie from exposure to the antigen during the development of the from exposure to the antigen during the development of the immune systemimmune system.. .. This interpretation was rigorously confirmed and extended in mouse by Peter Medawar and his colleagues who injected newborn mice of CBA strain with spleen cells from a different strain

Tolerance is acquired NOT genetically programmed

Clonal deletion

Clonal anergy

Suppressionby T-reg, CD 25+ ecc..SELF is acquired (epigenetic, metagenomic..)

not immuno-genetically determined Receptor editing

Diaz Heijtz R, Wang S, Anuar F, Qian Y, Björkholm B, Samuelsson A, Hibberd ML, Forssberg H, Pettersson S. Normal gut microbiota modulates brain development and behavior. Proc Natl Acad Sci U S A. (2011) 15;108(7):3047-52.

Here, we report that colonization by gut microbiota impacts colonization by gut microbiota impacts mammalian brain development and subsequent adult mammalian brain development and subsequent adult behaviorbehavior.. This behavioral phenotype is associated with altered altered expression of genes known to be involved in second expression of genes known to be involved in second messenger pathways and synaptic long-term potentiation in messenger pathways and synaptic long-term potentiation in brain brain … our results suggest that the microbial colonization the microbial colonization process initiates signaling mechanisms that affect neuronal process initiates signaling mechanisms that affect neuronal circuits involved in motor control and anxiety behaviorcircuits involved in motor control and anxiety behavior

Cryan JF, Dinan TG. Mind-altering microorganisms: the impact of the gut microbiota on brain and behaviour. Nat Rev Neurosci. (2012);13(10):701-12.

Accumulating data now indicate that the gut microbiota gut microbiota also communicates with the CNS--possibly through neural, endocrine and immune pathways--and thereby influences brain function and behaviourinfluences brain function and behaviour. Studies in germ-free animals and in animals exposed to pathogenic bacterial infections, probiotic bacteria or antibiotic drugs suggest a role for the gut microbiota in the regulation a role for the gut microbiota in the regulation of anxiety, mood, cognition and pain.of anxiety, mood, cognition and pain.

Fetal programming

1

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Ontogenesis

Phylogenesis

Developmental Plasticity

Devo-Evo

4 Mismatch6

7 XX Century Epidemiologic

TransitionEnvironment

From Genetics to Epigenetics

The 7 keys

Project ?

Microbiota

Microbioma

Genoma

Ologenoma

Genoma

DNA