MALATTIE GENETICHE RARE. NUOVE
OPPORTUNITÀ E NUOVE SFIDE OFFERTE
DAL PROGRESSO DELLE BIOTECNOLOGIE E
DALLE CONOSCENZE SCIENTIFICHE
Michel Fischbach
Geneva - Switzerland
Introduzione
Come consulente nel settore delle biotecnologie il mio obiettivo, in questo articolo, consiste nel
presentarvi le prospettive e le possibilità tecniche che sono state aperte dagli sviluppi più recenti che hanno
attraversato l’industria farmaceutica, dopo la sequenziazione del genoma umano.
Oggi, per quanto riguarda la Sindrome di Aicardi-Goutières al pari di altre malattie genetiche
rarissime, è prematuro discutere dei vantaggi e del potenziale delle procedure di terapia genetica, ma forse un
giorno arriveremo anche a questo.
Malattie genetiche rare
Per poter parlare delle malattie genetiche rare, è necessario tornare al loro punto d’origine, cioè ai
cromosomi, al nostro patrimonio genetico.
Fig. 1: Cromosomi di una cellula umana.
La figura 1 ci mostra cromosomi di una cellula umana. Ciascuno di essi è organizzato in base ad
una precisa sequenza di geni, a ciascuno dei quali è assegnata una funzione speciale. Nel genoma umano vi
sono 23 coppie di cromosomi, per un totale di 46 cromosomi, che comprendono anche i cosiddetti
cromosomi sessuali X e Y.
Su ciascun cromosoma abbiamo un certo numero di loci; oggi, il genoma umano completo
comprende più di 7.000 loci.
I progressi realizzati dalla ricerca sul genoma umano vengono registrati presso le banche dati
genetiche come la ‘On-line Mendelian Inheritance in Man’ a cui si può accedere attraverso Internet. Ad
oggi, sono stati scoperti funzioni, geni e fenotipi di circa 12.000 loci, ma questa cifra aumenta ogni giorno.
Le stime che riguardano il numero totale di geni che formano l’intero genoma umano sono discordanti e
vanno da 30.000 a 100.000 geni. Anche accettando la stima inferiore, è chiaro che andare a caccia di un
errore genetico in questa massa di informazioni genetiche diventa un compito abnorme.
Vorrei parlare un po’ più approfonditamente del processo che chiamerei ‘dai geni alla terapia’ e del
dogma fondamentale postulato dal premio Nobel Francis Crick:
un gene→ proteina
Di norma, un gene porta ad una proteina, attraverso la trascrizione del DNA in una molecola di RNA
messaggero che, a sua volta, si traduce in una proteina:
trascrizione
traduzione
DNA
→ mRNA → Proteina
In generale, si può affermare che è la proteina a svolgere l’attività biologica finale. Quindi, questo
significa che, di fronte alla compromissione della funzione di un gene, si otterranno proteine anomale,
proteine non funzionali o uno squilibrio proteico. Per esempio, un livello elevato di interferone alfa è uno
squilibrio proteico.
funzione genica compromessa
↕
proteine anomale
□ proteine non funzionali
squilibrio proteico
Una compromissione delle sequenze genetiche, che può derivare da qualsiasi tipo di danneggiamento o
di interferenza con il DNA, determina un disturbo dell’omeostasi proteica. Uno squilibrio dell’omeostasi
proteica equivale al passaggio da una situazione naturale ad una situazione innaturale, fatto che può sfociare
in conseguenze patologiche.
sequenza(e) genetica compromessa - DNA
↕
squilibrio dell’omeostasi proteica
↕
malattia
Quindi, quando esaminiamo una sindrome genetica, possiamo decidere di studiare le proteine e le
relative funzioni oppure di esaminare le sequenze genetiche di un paziente per andare a trovare danni
rilevanti o mutazioni nel suo genoma. Sono quindi possibili almeno due impostazioni diverse che possono
migliorare la comprensione dei meccanismi di una malattia genetica.
Comunque, proprio come per qualsiasi altra patologia, è necessario seguire un approccio su più
livelli per studiare malattie che si originano in una disfunzione genetica. Perché bisogna agire su più livelli?
Per prima cosa, è necessario capire i meccanismi fondamentali della malattia, compito che spetta alla ricerca.
In secondo luogo, è necessario sviluppare strumenti per la diagnosi clinica che consentano una valutazione
precoce e non ambigua dei pazienti ammalati, preferibilmente attraverso procedimenti non invasivi. In
ultimo, si va alla ricerca di una cura che permetta di guarire i pazienti; a questo riguardo, le porte aperte dai
rapidi progressi delle tecnologie applicate alla terapia genetica danno adito ad un certo ottimismo.
Per quanto riguarda gli aspetti legati alla ricerca di base sulla Sindrome di Aicardi-Goutières (AGS),
il progresso viene ostacolato dalla mancanza di un modello animale significativo, anche se oggi si spera che
il modello Campbell di La Jolla possa essere validato come modello per l’AGS 1. La ricerca nel campo
dell’AGS si concentra sulla caratterizzazione genetica mediante mappatura dei geni, associazione dei loci e
studio delle vie patologiche e dell’espressione anomala delle citochine.
La diagnosi clinica, ivi compresa quella prenatale, necessita di un forte impulso, per esempio per
quanto riguarda le piattaforme di fenotipizzazione / immunotipizzazione, come già spiegato ottimamente dal
dottor Kuijpers e dalla sua impostazione più che promettente. Inoltre, si possono sviluppare strumenti
diagnostici basati su marker biochimici come i livelli dell’interferone alfa o su altri mediatori biochimici
man mano che verranno individuati. Lo strumento diagnostico per eccellenza sarebbe la sequenza o le
sequenze specifiche di DNA contenenti l’anomalia o le anomalie genetiche che sottendono l’AGS. Per
individuare le sequenze responsabili, è necessaria una caratterizzazione genetica completa della sindrome.
Inoltre, un successo in questo senso sarebbe anche fondamentale ai fini di una possibile riparazione del gene
o dei geni difettosi.
Parlando di terapia pensando all’AGS, per il momento non è possibile intravedere un percorso
chiaro, in quanto devono ancora essere individuati e caratterizzati i principali bersagli della malattia. Ad
oggi, tutti i pazienti di AGS conosciuti vengono trattati caso per caso, ponendo l’accento sugli effetti
secondari della patologia. L’unica terapia a me nota è ancora in fase di sperimentazione nel quadro dello
studio clinico sulla riduzione dell’interferone alfa ottenuta mediante dosaggio di metilprednisolone.
“ La genomica ha modificato la nostra capacità di individuare nuovi bersagli per l’azione
farmacologica; siamo passati dalla carestia all’abbondanza” SmithKline Beecham
“ Il numero di farmaci sviluppati internamente triplica entro il 2000……….
3 lanci di grande rilievo entro il 2001” Bristol Myers Squibb
“ Entro il 2001, la società programma di immettere sul mercato 23 nuovi farmaci” Pfizer
“ Tre nuovi farmaci significativi all’anno entro il 2000” Glaxo Wellcome
Malattie genetiche rare e aspettative per il futuro
Che cosa possiamo aspettarci dal progresso odierno delle biotecnologie e delle scienze della vita? Vi
sono nuovi orientamenti, nuove tecnologie e speriamo anche nuove opportunità. Ma di quali opportunità si
tratta? Oggi, il completamento della sequenziazione del genoma umano ha generato forti aspettative in molti
campi, tra cui anche la terapia genetica, la terapia cellulare e la scoperta di nuovi farmaci in genere. Tuttavia,
è fuorviante pensare che, poiché è stato sequenziato il genoma umano, si sono trovate le soluzioni a tutti i
disturbi genetici.
È invece onesto affermare che il completamento del progetto sul genoma umano avrà ripercussioni
nel campo delle malattie genetiche rare come l’AGS, molto probabilmente attraverso l’individuazione di
geni alterati che provocano l’instaurarsi della patologia; tuttavia, avere a disposizione l’intera sequenza
umana pone anche alcune sfide di rilievo. In realtà, si tratta di una cassetta di attrezzi talmente immensa e
complicata da tutti i livelli di interazione che insorgono facilmente errori di interpretazione, mentre i
meccanismi di base restano ancora nascosti. Per questo motivo, le grandi evoluzioni promesse dalle
discipline collegate al genoma si avvereranno soltanto quando gli strumenti delle bioinformatica saranno in
grado di sostenere il ritmo delle scoperte.
Una chiara dimostrazione del fatto che la sequenza del genoma umano non è di per sé una risposta a
tutte le domande è data dalle stime contraddittorie sul numero totale di geni che formano il genoma umano
completo. Una prima approssimazione a 130.000 geni fu poi modificata a 30.000 e oggi questa cifra ha
ripreso a salire.
Indipendentemente dalle sfide che devono ancora essere affrontate, dal progetto sul genoma umano
sono comunque sorte nuove discipline che potrebbero essere utilizzate proficuamente per lo studio delle
malattie genetiche rare. Per essere più precisi, vi sono nuove competenze, come la genomica e la proteomica,
che aiutano le case farmaceutiche ad accelerare notevolmente il loro processo di scoperta di nuovi bersagli
patologici, quindi, potenzialmente, anche di nuovi farmaci:
Se le case farmaceutiche usano queste tecnologie per individuare nuovi bersagli genetici
per le principali patologie che hanno un buon potenziale di mercato, che cosa ostacola un progresso
altrettanto rapido verso la comprensione delle basi genetiche delle malattie genetiche? Probabilmente, il
motivo è semplicemente legato ad una mncanza di finanziamenti; le società che sviluppano farmaci sono
interessate soprattutto a patologie che garantiscano una remunerazione accettabile del loro investimento;
spesso i finanziamenti pubblici scarseggiano e i pochi gruppi di ricerca che si occupano dell’AGS e delle
malattie genetiche rare in genere dipendono in modo preponderante da finanziamenti pubblici o da
fondazioni come Telethon.
Genomica
La genomica affronta l’analisi di modalità complesse di espressione dei geni, cioè dei trascritti di
RNA messaggero presenti in una determinata cellula. Queste modalità permettono di analizzare la
regolazione di geni specifici e di rilevare eventuali sovraregolazioni o sottoregolazioni o la
comparsa/scomparsa dei trascritti specifici di un gene (i geni vengono attivati/disattivati). La forza e la
potenza di questa tecnologia sono dovute al fatto che oggi, per esempio, è possibile analizzare fino a 30.000
geni quasi contemporaneamente su chip di geni, e rilevare l’eventuale funzionamento anomalo degli stessi in
un’unica procedura. Inoltre, e questo è ancora più sorprendente, è ormai possibile esaminare le sequenze
geniche note e non note (ESTs – expressed sequence tags). Si può pensare di riuscire ad individuare una EST
che abbia ripercussioni sull’AGS ma le cui funzioni non sono ancora conosciute o completamente
caratterizzate. L’analisi della funzione è l’obiettivo su cui si concentra la cosiddetta genomica funzionale,
cioè lo studio del ruolo o dei ruoli biochimici e fisiologici della sequenza individuata.
Per quanto riguarda gli strumenti usati dalla genomica, desidero ricordare che, soprattutto nel campo
della neurobiologia e della neurochimica, sono disponibili i chips di geni relativi. Per citare un esempio, la
società di biotecnologie Becton Dickinson/Clontech di Palo Alto, in California, offre chip che contengono
circa 588 geni che intervengono a livello neurobiologico. Per esempio, facendo scorrere l’estratto di RNA di
un paziente sui geni disposti su questi chip, si possono individuare immediatamente i trascritti, cioè gli RNA
messaggeri trascritti dal DNA genomico che subiscono una regolazione ‘anomala’ (sovrabbondanza o
carenza).
La genomica indica se è presente un livello anormale di RNA messaggero – un livello troppo alto o
troppo basso, oppure la scomparsa dell’RNA messaggero o la sua ricomparsa dove non dovrebbe trovarsi.
Questa disciplina non fornisce però alcuna indicazione sulle proteine, che sono i veri effettori biologici finali.
Un altro problema della genomica è il fatto che bisogna individuare il tessuto, l’organo o le cellule da cui
estrarre l’RNA messaggero. Bisogna prelevare tessuto neurologico, sangue oppure entrambi? Oppure
cheratinociti o altro ancora? Diventa quindi estremamente importante definire una strategia di
campionamento precisa.
Genomica funzionale
La genomica funzionale è l’analisi delle caratteristiche funzionali di una determinata sequenza
genica. Come già accennato, non conosciamo ancora le caratteristiche funzionali di molti geni di cui oggi è
disponibile la sequenza. È questo il motivo per cui è stata sviluppata questa nuova disciplina.
Farmacogenomica
Per farmacogenomica si intende lo studio delle suscettibilità individuali ai farmaci, per esempio
all’aspirina, che dipende in gran parte da lievi variazioni genetiche chiamate polimorfismi a nucleotide
singolo.
Proteomica
Per proteomica si intende l’analisi di modelli proteici complessi presenti all’interno di un tessuto o di
una cellula. Questa tecnologia permette di stabilire quali proteine siano presenti nella cellula di un individuo
sano e di confrontarle con quelle presenti nelle cellule di un soggetto ammalato. Quindi la proteomica
permette di misurare la comparsa e la scomparsa di proteine specifiche, fenomeno che rappresenta un
parametro indiretto per misurare la sovraregolazione o la sottoregolazione di geni specifici.
Come dicevo, queste tecnologie sono molto potenti e permettono di analizzare migliaia di proteine al
giorno in un’unica procedura. Nel corso di queste ricerche, vengono individuati anche peptidi e proteine con
funzioni talvolta note e talvolta sconosciute. Quindi, modelli proteici abnormi indicano una funzionalità
anomala a livello genico. Procedendo con questo ragionamento, si può affermare che la comparsa o la
scomparsa, cioè la up-regulation e la down-regulation di proteine e peptidi ci indicano dove andare ad
osservare il DNA, a livello del gene.
Tabella 1 - Riassunto delle discipline derivate dal genoma e delle loro principali applicazioni
Campo di applicazione
Funzioni
Genomica (disposizione dei geni)
analisi di modelli complessi di espressione
genica (trascritti di mRNA)
up↑ o down↓ regulation di geni specifici
comparsa/scomparsa di trascritti di geni
Genomica funzionale
caratteristiche funzionali di una determinata
sequenza genica e dei suoi prodotti di
translocazione
impatto di fattori genetici sui bersagli dei
farmaci, sull’efficacia e sulla potenza dei
farmaci
Polimorfismi a nucleotide singolo
analisi di modelli complessi di espressione
proteica (MALDITOF - MS/MS)
comparsa/scomparsa di proteine specifiche
up↑ o down↓ regulation di geni specifici
Farmacogenomica
Proteomica
Caratteristiche principali
funzionamento “anomalo” dei geni
possono essere analizzati contemporaneamente
fino a 30.000 geni (“chip di geni”)
possibilità di vagliare sequenze geniche note o
sconosciute (EST)
sono disponibili chip di geni per studi
neurochimici
“ora conosciamo le sequenze dei geni, ma
dobbiamo ancora caprine il ruolo”
verso terapie ‘personalizzate’
vengono analizzate contemporaneamente migliaia
di proteine
proteine/peptidi con funzioni note o sconosciute
modelli proteici anormali indicano un
funzionamento “anomalo” dei geni
comparsa / scomparsa
o
up↑ o down↓ regulation delle proteine indicano la
presenza di uno o più fattori genetici difettosi
Verso un’assistenza medica personalizzata
Grazie alle discipline appena descritte, oggi ci si sta muovendo verso una terapia personalizzata per
l’uomo, quasi fatta su misura per il patrimonio genetico dei pazienti. Ciò significa che tecnologie come
genomica e proteomica vengono già usate attivamente nel settore farmaceutico, orientandoci verso un futuro
in cui sarà possibile elaborare un profilo di ‘suscettibilità’ genetica per ogni persona prima di scrivere una
ricetta. Inoltre, queste tecnologie potrebbero aiutare l’osservazione dei pazienti affetti da AGS, permettendo
di stabilire quali geni non stiano funzionando correttamente, quali proteine sembrano anormali e così via.
Futuro prossimo
Ritengo che il gene o i geni responsabili dell’AGS verranno individuati in un futuro ormai non troppo
lontano. I dati così ottenuti dovrebbero permettere di considerare strategie terapeutiche possibili:
Farmaci che agiscono come repressori o attivatori potrebbero essere vantaggiosamente usati
Infine, si potrà prendere in considerazione l’eventualità di procedere ad un trasferimento di geni, se
riusciremo veramente a individuare un gene difettoso o mancante e a trasferire una sequenza genica
intatta da un individuo sano ai tessuti del paziente.
Un altro strumento terapeutico promettente per il futuro è rappresentato dalla tecnologia antisenso; in
breve, la tecnologia antisenso permette di arrestare la sintesi di una proteina indesiderata agendo
sull’RNA messaggero, per esempio geni che sono implicati nell’aumento del livello dell’interferonealpha.
Cercando di immaginare il futuro, dobbiamo renderci conto che l’ambiente medico e sanitario sta
cambiando molto rapidamente, anche grazie all’esplosione delle tecnologie informatiche. Innanzi tutto, oggi
i consumatori – cioè i pazienti stessi - sono molto più sensibilizzati. Il ritmo dell’innovazione tecnologica in
vari settori è incessante e, con l’aiuto dell’informatica, queste tecnologie possono essere incanalate verso
attività di ricerca e sviluppo efficienti nel contesto delle malattie genetiche.
Progresso scientifico e disponibilità di informazioni: tutte le nuove informazioni basate su conoscenza
devono essere organizzate su più strati e più strutture per trasformarsi in dati fruibili, in modo da permettere
un reale flusso delle informazioni. Non si può più rimanere seduti in un angolo a fare il proprio lavoro, senza
che neanche chi ci sta a fianco sappia ciò che stiamo facendo.
Va comunque ricordato che se, come speriamo, verranno scoperti uno o più geni responsabili dell’AGS,
non è comunque ancora certo che, bloccandoli o attivandoli, avremo risolto il problema, perché esistono
sempre le interazioni e talvolta è difficile ricostruire l’equilibrio sofisticato presente sotto la superficie.
Dobbiamo anche ricordare che non soltanto vi sono le interazioni, ma che anche noi abbiamo bisogno di
interagire. Bisogna tessere una rete di comunicazione molto rigorosa tra tutte le persone coinvolte, tutti i
protagonisti, perché le possibilità di ottenere finanziamenti pubblici continuativi sono scarse e i giganti
farmaceutici non sono ancora pronti ad entrare nel campo delle malattie genetiche rare.
Bibliografia
1. Akwa Y, Hassett DE, Eloranta ML. Transgenic expression of IFN-alpha in the central nervous system
of mice protects against lethal neurotropic viral infection but induces inflammation and
neurodegeneration. J Immunol 1998; 161: 5016-5026. (Department of Neuropharmacology, The
Scripps Research Institute, La Jolla, Ca 92037, USA)
