Epigenetica e Attività Fisica Adattata

Epigenetica e Attività Fisica Adattata

 

Prof. Dott. Carmelo Giuffrida – 2023

 

 

La trasformazione epigenetica si riferisce a trasformazioni ereditabili nella funzione genica che non possono essere spiegati da alterazioni nella sequenza del DNA.

 

In letteratura scientifica corrente si dimostra esplicitamente che la risposta epigenetica è profondamente dinamica. Tale risposta viene influenzata da diversi fattori biologici e ambientali come l’invecchiamento, la disponibilità di nutrienti e l’esercizio fisico.

 

Concetto di Epigenetica, Nutrigenomica, Nutrigenetica e Attività Fisica Adattata

 

Il concetto di “epigenetica” si sta sempre più diffondendo in ambiente scientifico e, in modo sempre più insistente, l’affiancamento delle diete “nutrigenetiche” ricerca un valido alleato nell’attività fisica e nell’esercizio fisico strutturato.

La nutrigenomica è la scienza che studia il rapporto fra genoma e dieta.

La nutrigenetica studia il modo in cui ogni individuo, in rapporto al proprio DNA (diverso dagli altri), reagisce alle molecole presenti nei cibi.

Nutrigenomica e nutrigenetica rappresentano le frontiere più innovative  delle Scienze dell’alimentazione.

L’Attività Fisica Adattata, invece, assume il ruolo di vero e proprio farmaco utile nel trattamento di parecchie patologie non trasmissibili e dismetaboliche. Tra le tante malattie, ne ricavano grande beneficio: l’obesità, il diabete, le patologie cardio-vascolari, ecc…

Ma, tanto per la dieta quanto per l’esercizio fisico strutturato, occorre rivolgersi a Professionisti preparati e ad ambienti altamente specializzati.

 

Il termine “epigenetica” fu foggiato nel 1942 da Conrad Hal Waddington, un Biologo britannico. Coincide con una branca della Biologia. In pratica, cerca di conoscere le interazioni esistenti tra i geni presenti all’interno del DNA (acido desossiribonucleico o deossiribonucleico – acronimo derivante dall’inglese Deoxyribo Nucleic Acid) e l’ambiente.

Una definizione utile di epigenetica è “lo studio dei cambiamenti ereditabili mitoticamente e/o meioticamente nella funzione genica che non possono essere spiegati dai cambiamenti nella sequenza del DNA” [Russo VEA, Martienssen RA, Riggs AD: Epigenetic mechanisms of gene regulation. Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor Press 1996].

 

Epigenetica: modificazioni 

 

 

 

Tale molecola è depositaria dell’informazione genetica alla base della trasmissione ereditaria dei caratteri. Le basi dell’epigenetica sono articolate e si traducono fondamentalmente nelle “modificazioni epigenetiche”. Non interessando la struttura di base del DNA ma l’attivazione o lo spegnimento dell’attività di alcuni geni, operano “al di sopra” del DNA. Il termine deriva dal greco “epi” = sopra.

 

La spiegazione standard di “epigenoma” si riferisce alla combinazione di modificazioni chimiche del DNA e delle proteine ​​istoniche in una cellula. I cambiamenti epigenetici, generalmente, includono la modifica funzionale del genoma guidata dalla metilazione del DNA, la modifica dell’istone e l’espressione del microRNA.

 

I mutamenti epigenetici rappresentano parametri genomici flessibili che possono trasformare la funzione del genoma. Restituiscono anche un meccanismo che permette la propagazione stabile dello stato dell’attività genica da una generazione di cellule alla successiva [Probst AV, Dunleavy E, Almouzni G. Epigenetic inheritance during the cell cycle. Nat Rev Mol Cell Biol. 2009; 10:192–206].

 

 

Originariamente, i processi epigenomici erano considerati unidirezionali. Recenti conoscenze hanno documentato che l’epigenoma è profondamente dinamico e muta in risposta a fattori biologici come i processi di sviluppo e di invecchiamento, o sotto l’influenza di fattori esogeni quali l’attività fisica e la disponibilità di nutrienti [Meeran SM, Ahmed A, Tollefsbol TO. Epigenetic targets of bioactive dietary components for cancer prevention and therapy. Clin Epigenetics. 2010; 1:101–16] – [Sanchis-Gomar F, Garcia-Gimenez JL, Perez-Quilis C, Gomez-Cabrera MC, Pallardo FV, Lippi G. Physical exercise as an epigenetic modulator: eustress, the “positive stress” as an effector of gene expression. J Strength Cond Res. 2012; 26:3469–72].

 

 

 

Epigenetica e stress

 

 

Negli ultimi venti anni sono stati effettuati parecchi studi per capire bene questa modulazione epigenetica. Gli esiti suggeriscono che questo fenomeno è intimamente connesso ai processi cellulari della riparazione del DNA, alla differenziazione e agli eventi di stress, alla progressione e al trattamento di diverse patologie croniche e degenerative, compreso il cancro [Santos-Reboucas CM, Pimentel MM. Implication of abnormal epigenetic patterns for human diseases. Eur J Hum Genet. 2006; 15:10–7] – [Baylin SB, Jones PA. A decade of exploring the cancer epigenome – biological and translational implications. Nat Rev Cancer. 2011; 11:726–34].

Epigenetica, Nutrizione, Attività Fisica Adattata ed evidenze scientifiche

 

Una idonea nutrizione, la pratica di un regolare e costante esercizio fisico influenzano favorevolmente l’espressione di specifici geni implicati nella difesa dall’ossidazione e dell’infiammazione cellulare.

Le evidenze scientifiche dimostrano ampiamente come sia produttiva l’attività motoria condotta in stretto regime aerobico. Ancora di più, se viene associata ad esercizi di respirazione e a pratiche di rilassamento mentale.

 

Privilegiare il consumo di cibi vegetali è più produttivo del consumo di zuccheri raffinati, di grassi animali e di prodotti industriali lavorati.

Quando si cerca di vincere lo stato di obesità o di sovraccarico ponderale, la “restrizione calorica” dovrebbe evitare la malnutrizione. In realtà, occorre prevedere un giusto apporto calorico e l’assunzione delle vitamine e dei sali minerali necessari all’organismo.

Epigenetica e limitazione calorica

 

Una diminuzione pari a circa il 30% del fabbisogno calorico giornaliero è la misura adeguata a contrastare o posticipare la manifestazione di patologie croniche tipiche dell’invecchiamento.

Di conseguenza, ciò assume utilità per migliorare la qualità e l’aspettativa di vita. Ciò avviene attraverso una regolazione positiva dei livelli ematici di glucosio, trigliceridi e colesterolo circolante, della pressione arteriosa e di una riduzione dell’infiammazione generale.

 

La limitazione calorica opera sul piano epigenetico attraverso l’attivazione di geni coinvolti nella riparazione dei danni al DNA. Inoltre, interviene nella difesa dai radicali liberi e facilita meccanismi che distolgono l’accumulo di proteine tossiche all’interno delle cellule.

 

Il consumo delle calorie giornaliere assunte in un arco temporale ristretto di 8÷10 ore trova alleanza nel concetto di “time-restricted feeding”. Un conseguente periodo di digiuno di 14÷16 ore pare che sia in grado di produrre gli stessi effetti della restrizione calorica.

 

 

 

 

 

Epigenetica e Attività Fisica Adattata: modulazione dell’espressione genica

 

 

L’attività fisica e l’esercizio fisico strutturato possono modulare l’espressione genica attraverso alternanze epigenetiche. Però, occorre determinare la tipologia e la durata dell’esercizio che provoca specifici effetti epigenetici. Quindi, occorre calibrare quantità  e qualità di movimento in grado di apportare benefici per la salute e per prevenire malattie croniche.

 

L’esercizio fisico condotto in strettissimo regime di tipo aerobico (cammino, byke, orbiter, …) sembra favorire benefiche modificazioni epigenetiche. Può essere associato o alternato a metodiche allenanti di tipo anaerobico per mantenere una buona massa muscolare. Le metodiche più gettonate, perciò, sono i circuiti HIT o HIIT effettuati con i pesi!

 

La bibliografia internazionale e le Comunità scientifiche concordano all’unanimità sul medesimo fatto! L’esercizio fisico svolge un ruolo importante nella determinazione del rendimento performante di un individuo. L’attività motoria interagisce, quindi, sulle caratteristiche prestazionali e sulla ipersensibilità reattiva nei confronti di alcune patologie non trasmissibili ed esercizio-sensibili.

L’allenamento di resistenza e di lunga durata provoca delle modificazioni epigenetiche localizzate. Tali cambiamenti interessano sia il metabolismo del muscolo che l’attività espressiva genica identificabile attraverso la metilazione. Pertanto, tale processo costituisce una delle più importanti modificazioni epigenetiche.

 

Epigenetica e Attività Fisica Adattata: Metilazione del DNA

 

La metilazione del DNA è il processo epigenetico più studiato. E’ responsabile dell’aggiunta di un gruppo metilico alla posizione di 5 atomi di carbonio di una base di citosina catalizzata da una famiglia di DNA metiltransferasi.

 

Le basi altamente suscettibili alla metilazione si trovano tipicamente all’interno della sequenza di-nucleotidica citosina-fosfato-guanina (CpG) del DNA: la cosiddetta isola CpG.

 

Nelle cellule somatiche umane, la 5-metil-citosina (m5C) rappresenta il 70-80% di tutti i di-nucleotidi CpG nel genoma [Ziller ML, Gu H, Muller F, Donaghey J, Tsai LT, Kohlbacher O, et al. Charting a dynamic DNA methylation landscape of the human genome. Nature. 2013; 500:477–81].

 

Questo tipo di modulazione altera l’espressione dei geni nelle cellule, assumendo la funzione di “interruttore on-off”: quando un sito specifico di portata CpG (isola CpG) viene metilato, l’espressione genica viene silenziata; al contrario, la sua de-metilazione permette l’espressione genica [Klose RJ, Bird AP. Genomic DNA methylation: the mark and its mediators. Trends Biochem Sci. 2006; 31:89–97].

 

I risultati più significativi degli studi epigenetici riguardano la sindrome metabolica, il diabete, il cancro, … L’attività fisica e gli interventi di esercizio a beneficio delle malattie croniche coinvolte sono ampiamente note.

 

 

 

Epigenetica e Attività Fisica Adattata: quando l’inattività fisica produce malattie

 

Gli studi epidemiologici confermano che, la maggior parte delle persone affette da patologie croniche, hanno molteplici caratteristiche o comportamenti comuni nello stile di vita. Nelle malattie cardiovascolari, metaboliche e degenerative, il fumo, un’alimentazione scorretta, l’obesità e la sedentarietà ne sono esempi lampanti. Queste condotte vengono identificate come principali fattori coadiuvanti alla mortalità complessiva.

I potenziali effetti sinergici di molteplici fattori dello stile di vita sono sempre più riconosciuti. Il rischio di condizioni croniche e/o esiti di salute vanno valutati nell’adolescenza, nell’età adulta e nella vecchiaia.

L’inattività fisica ha dimostrato di essere tra i primi 10 fattori di rischio per tutte le malattie e si ritiene che sia responsabile del 9% di tutti i decessi in tutto il mondo con gravi conseguenze sanitarie, economiche, ambientali e sociali [Lee IM, Shiroma EJ, Lobelo F, Puska P, Blair SN, Katzmarzyk PT. Effect of physical inactivity on major non-communicable diseases worldwide: an analysis of burden of disease and life expectancy. Lancet. 2012; 380:219–29].

 

Le più studiate di tutte le malattie moderne sono la malattia coronarica (CHD) e la sindrome metabolica.

Nel complesso, la maggior parte degli studi riporta una correlazione negativa tra i livelli di Attività Fisica e l’insorgenza di queste patologie. Sono stati segnalati anche effetti positivi dell’Attività Fisica sulla prevenzione e/o sul trattamento di altre condizioni patologiche come le malattie neurologiche e il cancro [Tan ZS, Spartano NL, Beiser AS, DeCarli C, Auerbach SH, Vasan RS, Seshadri S. Physical activity, brain volume, and dementia risk: the Framingham study. J Gerontol A Biol Sci Med Sci. 2017; 72:789–95] – [Wu W, Guo F, Ye J, Li Y, Shi D, Fang D, Guo J, Li L. Pre- and post-diagnosis physical activity is associated with survival benefits of colorectal cancer patients: a systematic review and meta-analysis. Oncotarget. 2016; 7:52095–103].

Sebbene gli effetti benefici dell’Attività Fisica siano ben noti, il 30% della popolazione mondiale non riesce a raggiungere i livelli dell’Attività Fisica raccomandati per i benefici per la salute [Br J Sports Med. 2020 Dec;54(24):1451-1462. doi: 10.1136/bjsports-2020-102955. World Health Organization 2020 guidelines on physical activity and sedentary behaviour – Fiona C Bull, Salih S Al-Ansari, Stuart Biddle, et al …].

 

Epigenetica e Attività Fisica Adattata in stretto regime aerobico per migliorare l’efficienza 

 

 

In realtà, negli ultimi anni, diversi studi hanno dimostrato il potenziale dell’esercizio fisico aerobico e di resistenza per:

 

• migliorare positivamente biomarcatori specifici relativi a diverse malattie [Ceci R, Beltran Valls MR, Duranti G, Dimauro I, Quaranta F, Pittaluga M, Sabatini S, Caserotti P, Parisi P, Parisi A, Caporossi D. Oxidative stress responses to a graded maximal exercise test in older adults following explosive-type resistance training. Redox Biol. 2014; 2:65–72].

 

• ridurre l’incidenza di malattie cardiovascolari e metaboliche in ampie popolazioni di individui, comprese donne, anziani, soggetti con malattie coronariche e con insufficienza cardiaca [Matelot D, Schnell F, Kervio G, Ridard C, Thillaye du Boullay N, Wilson M, Carre F. Cardiovascular benefits of endurance training in seniors: 40 is not too late to start. Int J Sports Med. 2016;37:625–32],

 

• contenere il diabete [Sigal RJ, Kenny GP, Boulé NG, Wells GA, Prud’homme D, Fortier M, et al. Effects of aerobic training, resistance training, or both on glycemic control in type 2 diabetes: a randomized trial. Annal of Intern Med. 2007; 147:357–69] – [Pittaluga M, Sgadari A, Dimauro I, Tavazzi B, Parisi P, Caporossi D. Physical exercise and redox balance in type 2 diabetics: effects of moderate training on biomarkers of oxidative stress and DNA damage evaluated through comet assay. Oxidative Med Cell Longev. 2015; 2015:981242],

 

• controllare gli effetti della sclerosi multipla (SM) [Daglas U, Stenager E, Ingemann-Hansen T. Multiple sclerosis and physical exercise: recommendations for the application of resistance-, endurance- and combined training. Mult Scler J. 2008; 14:35–53],

 

• migliorare la malattia polmonare cronica (BPCO) [Mador MJ, Bozkanat E, Aggarwal A, Shaffer M, Kufel TJ. Endurance and strength training in patients with COPD. 2004; 125:2036–45].

 

Epigenetica e Attività Fisica Adattata: livelli di esercizio raccomandati dall’Organizzazione Mondiale della Sanità 

 

 

L’American College of Sports Medicine raccomanda che la maggior parte degli adulti (18÷65 anni) effettui un allenamento aerobico di intensità moderata (≥50 min ^. giorno ^-1 su ≥6 d ^. sett. ^-1 per un totale di ≥300 min ^. sett. ⁻¹) e, specificatamente, anche esercizio strutturato di resistenza per ciascuno dei principali gruppi muscolari [Garber CE, Blissmer B, Deschenes MR, Franklin BA, Lamonte MJ, Lee IM, et al. American College of Sports Medicine. American College of Sports Medicine position stand. Quantity and quality of exercise for developing and maintaining cardiorespiratory, musculoskeletal, and neuromotor fitness in apparently healthy adults: guidance for prescribing exercise. Med Sci Sports Exerc. 2011; 43:1334–59] – [Br J Sports Med. 2020 Dec;54(24):1451-1462. doi: 10.1136/bjsports-2020-102955. World Health Organization 2020 guidelines on physical activity and sedentary behaviour – Fiona C Bull, Salih S Al-Ansari, Stuart Biddle, et al …].

Inoltre, essere fisicamente attivi può migliorare la forma aerobica, la forza, la potenza e la cognizione, superare l’affaticamento e la depressione e migliorare la qualità generale della vita [Seguin R, Nelson ME. The benefits of strength training for older adults. Am J Prev Med. 2003; 25:141–9] – [Brunelli A, Dimauro I, Sgrò P, Emerenziani GP, Magi F, Baldari C, Guidetti L, Di Luigi L, Parisi P, Caporossi D. Acute exercise modulates BDNF and pro-BDNF protein content in immune cells. Med Sci Sports Exerc. 2012; 44:1871–80.] – [Beltran Valls MR, Dimauro I, Brunelli A, Tranchita E, Ciminelli E, Caserotti P, Duranti G, Sabatini S, Parisi P, Parisi A, Caporossi D. Explosive type of moderate-resistance training induces functional, cardiovascular, and molecular adaptations in the elderly. Age (Dordr). 2014; 36:759–72].

 

 

Attività fisica, modificazioni epigenetiche e patologie: una panoramica degli studi sull’uomo

 

Prove emergenti indicano che l’Attività Fisica può modulare i meccanismi epigenetici associati a una grande varietà di malattie umane [Pareja-Galeano H, Sanchis-Gomar F, García-Giménez JL. Physical exercise and epigenetic modulation: elucidating intricate mechanisms. Sports Med. 2014; 44:429–36].

 

Studi su cellule monocitiche umane, granulociti e cellule mononucleate del sangue periferico dimostrano che un esercizio moderato aumenta lo stato di metilazione della proteina simile a un granello associata all’apoptosi contenente un dominio di reclutamento della caspasi C-terminale (ASC) [Nakajima K, Takeoka M, Mori M, Hashimoto S, Sakurai A, Nose H, et al. Exercise effects on methylation of ASC gene. Int J Sports Med. 2010; 31:671–5.].

 

Epigenetica e Attività Fisica Adattata: regolazione dei mediatori!

 

La caspasi C-terminale – ASC – è un importante mediatore della via di segnalazione infiammatoria di tipo citosolico e il suo pattern di metilazione è associato al livello di citochine pro e antinfiammatorie durante l’esercizio, regolando l’attivazione e la differenziazione dei linfociti [Bopp T, Radsak M, Schmitt E, Schild H. New strategies for the manipulation of adaptive immune responses. Cancer Immunol Immunother. 2010; 59:1443–8].

Questi meccanismi epigenetici contribuiscono ad abbassare il livello basale di infiammazione, prevenendo l’insorgenza di malattie legate a un’infiammazione cronica di basso grado.

Inoltre, è riconosciuto che l’Attività Fisica contrasta quei processi di ipo-metilazione e iper-metilazione associati a mutazioni neoplastiche nel genoma [Ntanasis-Stathopoulos J, Tzanninis JG, Philippou A, Koutsilieris M. Epigenetic regulation on gene expression induced by physical exercise. J Musculoskelet Neuronal Interact. 2013; 13:133–46], rappresentando così un intervento in grado di bersagliare più geni contemporaneamente e potenzialmente eliminare qualsiasi effetto collaterale.

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