cos`e` il genoma - Digilander

Enciclopedia della vita
IL GENOMA
La storia, i protagonisti, i successi, le tecniche, il futuro
Ricerca a cura di Lia Romano - classe V H – Liceo Scientifico “Fermi” Bari - a. s. 1999-2000
COS’E’ IL GENOMA
Il genoma è il patrimonio genetico di un organismo vivente che si trova all’interno del
nucleo di tutte le sue cellule. Nel genoma sono scritte tutte quelle istruzioni che, dal
concepimento, guidano il nostro sviluppo e il nostro funzionamento.
Portatrice dell’informazione genetica è il Dna1 (DeoxyriboNucleic Acid), il cuore di ognuna
delle nostre cellule, una molecola spessa appena due milionesimi di millimetro, ma molto
lunga. Il Dna è composto di quattro basi chimiche: adenina (A), tinina (T), guanina (G) e
citosina (C). E’ l’ordine, la “sequenza” di queste lettere, nelle sue infinite combinazioni, a
determinare come è fatto il nostro organismo e quale è la nostra predisposizione ad
alcune malattie. Di queste lettere, il genoma umano ne contiene circa 3 miliardi e 300
milioni. Tra un essere umano e un altro la successione di queste lettere è molto simile, ma
non identica. C’è una differenza di una lettera su mille (mentre, ad esempio, la differenza
tra un uomo e uno scimpanzé è di una lettera su cento). In questa differenza consiste la
diversità tra gli individui. Nell’uomo il genoma, il Dna è organizzato in 46 cromosomi 2,
caratteristici della nostra specie, 23 vengono dalla madre, l’altra metà dal padre.
In ogni cromosoma c’è un certo numero di geni: alcuni cromosomi ne contengono
parecchi, altri molto pochi. Anche la lunghezza del gene può variare moltissimo, da un
migliaio appena di “lettere”, vale a dire le 4 basi chimiche, fino a diversi milioni. Ogni gene
1
Nel 1928 l'inglese Frederick Griffith stava studiando il virus che causa la polmonite e notò che mischiando un ceppo
virulento con uno non virulento, quello non virulento acquistava la capacità di provocare la malattia. Questa
trasformazione avveniva anche se il ceppo virulento veniva mischiato con quello non virulento dopo essere stato ucciso!
Chiaramente qualche sostanza chimica doveva essere passata dai virus morti a quelli vivi, trasformandoli. Diversi
biologi tentarono di isolare la sostanza in questione, e nel 1944 gli americani Oswald Avery, Maclyn McCarty e Colin
MacLeod annunciarono trattarsi di DNA, non di proteine come si era pensato fino ad allora. Ma il mondo scientifico
non era pronto a credere nell'importanza del DNA, e l'annuncio del trio americano fu accolto con notevole scetticismo.
Fu solo nel 1952 (un anno prima della scoperta della struttura del DNA da parte di James Watson e Framcis Crick) che
Alfred Hershey e Martha Chase pubblicarono la prima dimostrazione inconfutabile che il DNA è il portatore
dell'informazione genetica. Hershey e Chase approfittarono della possibilità di marcare radioattivamente (Genoma dei
procarioti) le proteine e il DNA, utilizzando due elementi radioattivi diversi.
Le proteine possono essere marcate con l'isotopo 35 dello zolfo, un costituente principale di molte proteine. Il DNA,
d'altro canto, può essere marcato con l'isotopo 32 del fosforo, che costituisce parte della catena che forma la doppia
elica.
2
I cromosomi stanno nel nucleo di ogni cellula e contengono una doppia elica di Dna. Ciascuna specie animale o
vegetale ha un numero fisso e caratteristico di cromosomi per cellula. Il nome viene dal greco "chroma", colore, e
"soma", corpo, anche se in realtà i cromosomi non sono colorati. Nella cellula vivente appaiono anzi incolori e
scarsamente distinguibili. Vengono chiamati "corpi colorati" solo perché assumono in modo selettivo certe sostanze
coloranti.
ha un messaggio preciso, contiene le istruzioni per la costruzione di una specifica
proteina3.
In realtà solo una piccola parte del Dna di un organismo contiene informazioni utili alla
fabbricazione di proteine, il resto è costituito da sequenze ripetitive lunghissime,
probabilmente prive di qualsiasi significato. Forse il cosiddetto “Dna spazzatura” serve a
dare un supporto strutturale. Ad esempio ci sono delle sequenze che non codificano
proteine, ma servono a tenere insieme il cromosoma, come i talomeri, che sono collocati
alle estremità del cromosoma, o i centromeri, collocati al centro. Nell’uomo circa il 97% del
patrimonio genetico è costituito proprio da questo “Dna spazzatura”.
3
Con i suoi studi V. Ingram fu tra i primi a indagare questa corrispondenza tra geni e proteine che oggi costituisce
l'equazione fondamentale della biologia molecolare. Nel 1957 Ingram dimostrò che un'alterazione nella sequenza
nucleotidica di un gene, cioè una mutazione, corrisponde a un cambiamento nella sequenza di amminoacidi che
costituisce una proteina. Tale dimostrazione venne dallo studio dell'anemia falciforme, una malattia ereditaria dell'uomo
causata dalla produzione di un'emoglobina (la proteina responsabile del trasporto dell'ossigeno e dell'anidride carbonica
nel sangue) difettosa. L'emoglobina che provoca l'anemia è quasi identica a quella normale, eccetto che per uno dei suoi
287 amminoacidi, sostituito da un altro che non svolge la sua funzione altrettanto bene. Questa singola sostituzione
corrisponde a una specifica mutazione nella sequenza del gene che codifica per l'emoglobina. Negli anni successivi,
C.Yanofsky dimostrò in maniera più generale che ogni mutazione indotta nel gene che codifica per l'enzima triptofanosintetasi nel batterio Escherichia coli provoca un diverso difetto nella proteina, dovuto appunto alla sostituzione di un
amminoacido con un altro.
LE TAPPE
1900
Riscoperta delle leggi della trasmissione ereditaria dei caratteri, che Johann
(Gregor) Mendel aveva pubblicato nel 1865 e che assumevano l'esistenza di fattori discreti
(elementen) che determinano i caratteri, i geni, e che si trasmettono da una generazione
all'altra.
1902
Walter S. Sutton ipotizza che i fattori mendeliani, i geni, siano localizzati sui
cromosomi. Archibald Garrod dimostra l'ereditarietà mendeliana di alcuni disturbi
metabolici, che attribuisce a "errori innati" e che lo portano a ipotizzare che i fattori
mendeliani controllino le reazioni biochimiche.
1909
Johannsen propone il termine "gene" per i fattori ereditari.
1910-1911
Thomas Hunt Morgan inizia a mappare i geni sui cromosomi del moscerino
della frutta Drosophila Melanogaster sulla base del principio che quando due geni sono
vicini sul cromosoma possono essere ereditati insieme: attraverso il confronto tra
l'ereditarietà delle regioni cromosomiche e quella dei caratteri o delle malattie genetiche
specifiche si possono localizzare i geni e costruire delle "mappe di associazione
genetica".
1944
Oswald T. Avery, Colin MacLeod e Maclyn McCarty stabiliscono che il Dna è
il materiale ereditario.
1953
James Watson e Francis Crick propongono la struttura a doppia elica per il
Dna, che prevede l'accoppiamento complementare tra le 4 basi nucleotidiche A:T; G:C.
1956
Viene stabilito che il patrimonio cromosomico completo dell'uomo è di 46
cromosomi.
1961-1966
Viene decifrato il codice genetico, ovvero stabilito il rapporto tra le 64 triplette
possibili a partire dalle 4 basi nucleotidiche del Dna, e i venti amminoacidi che formano le
proteine.
1967
cellule
Mary Weiss e Howard Green introducono la tecnica dell'ibridazione delle
somatiche
1972
che
rende
più
agevole
il
mappaggio
dei
geni
umani.
Paul Berg costruisce la prima molecola Dna ricombinante in vitro utilizzando
gli enzimi di restrizione. Vengono realizzati con successo i primi esperimenti di clonazione
del Dna.
1973
Stanley Cohen, Annie Chang e Herbert Boyer costruiscono il primo battere
ricombinante. Si tiene la prima conferenza sulla mappatura dei geni umani.
1974
Cohen e Boyer ottengono l'espressione di un gene estraneo trapiantato in un
battere con la tecnica del Dna ricombinante.
1975
Si tiene la conferenza di Asilomar che propone una moratoria sugli
esperimenti con il Dna ricombinante in assenza di linee guida per la sicurezza delle
manipolazioni genetiche.
1977
Per la prima volta un gene umano viene ricombinato e inserito in un battere
per clonare una proteina, la somatostatina. Fred Sanger, già premio Nobel come inventore
del metodo per sequenziare le proteine, sviluppa un metodo nuovo ed efficiente per
sequenziare il Dna (contemporaneamente Walter Gilbert e Allan Maxam inventano un
metodo analogo).
1978
Boyer costruisce una versione sintetica del gene dell'insulina e lo inserisce in
un battere. La Genentech, fondata nel 1976 dallo stesso Boyer insieme a Swanson,
otterrà il permesso di commercializzare l'insulina prodotta per ingegneria genetica nel
1982 e quindi il brevetto.
1978-1980
Vengono sviluppate nuove tecniche basate sull'ibridazione molecolare e
l'utilizzazione come marcatori delle variazioni individuali del Dna per mappare fisicamente i
geni e le sequenze geniche sui cromosomi. Grazie alle nuove tecniche e alla
collaborazione internazionale tra i "mappatori" i geni mappati passano da 579 nel 1981 a
1.879 nel 1991: tra questi vengono mappati il gene della corea di Huntington (1983), il
gene per la distrofia muscolare (1987) e il gene per la fibrosi cistica (1989).
1980
Viene concesso il primo brevetto su una forma di vita geneticamente
modificata, un microrganismo che si nutre di petrolio. Kary Mullis inventa la tecnica della
reazione polimerasica a catena (Pcr), che consente di moltiplicare in vitro le sequenze di
Dna.
1981
Viene prodotto il primo animale transgenico.
1983
Viene inventato il primo sequenziatore automatico.
1986
Viene proposto da diversi biologi molecolari, tra cui Renato Dulbecco, di
sequenziare completamente il genoma umano.
1988
Viene concesso il brevetto per un topo transgenico altamente suscettibile al
tumore del seno.
1989
Viene creato il National Center for Human Genome Research (Nchgr),
guidato da James Watson per mappare e sequenziare tutto il Dna umano entro il 2005 con
un costo di 3 miliardi di dollari. Il progetto viene formalmente varato il 1^ ottobre 1990.
1992
Craig Venter crea l'Institute for Genomics Research.
1993
Francis Collins assume la direzione del National Human Genome Research
Institute.
1995
Viene pubblicata la prima sequenza completa del genoma di un organismo
vivente diverso da un virus, il battere Haemophilus influenza. Il risultato è stato ottenuto da
Craig Venter applicando una nuova tecnica, whole genome shotgun, che consiste nel
frammentare l'intero genoma, sequenziare automaticamente i pezzi e quindi ricostruirne
l'ordine attraverso potenti algoritmi di calcolo. Viene inventata da James Sikela una nuova
tecnica per mappare i geni, una specie di "codice a barre", che consiste di sequenze
definite e uniche tali per cui possono essere facilmente localizzate sui cromosomi insieme
al gene da cui sono state prodotte.
1996
Viene riportato il sequenziamento completo del primo organismo complesso,
il lievito Saccharomyces Cerevisiae.
1997
Il Pto annuncia che concederà brevetti per le brevi sequenze di Dna
espresso che vengono usate per mappare il genoma. Intanto viene costruito il primo
cromosoma umano artificiale e annunciata la clonazione di un mammifero, Dolly.
1998
Viene pubblicata una prima bozza della mappa del genoma umano, che
mostra la localizzazione di più di 30mila geni. Viene pubblicata la sequenza completa del
primo genoma di un animale, il verme Caenorhabditis Elegans. Venter e la Perkin Elmer
Corporation fondano la Celera Genomics con l'intento di sequenziare tutto il genoma
umano in tre anni con il metodo del whole genome shotgun.
2000
Viene pubblicata la sequenza completa del genoma di Drosophila
melanogaster, e viene annunciato dalla Celera Genomics il sequenziamento di tutte le
basi nucleotidiche del Dna umano con il metodo whole genome shotgun.
UN’IDEA DI WATSON
Il progetto di mappare l’intero genoma umano viene lanciato negli anni ’80 dal premio
Nobel James Watson, scopritore, assieme a Francio Crick, della struttura a doppia elica
del Dna.
Riuscire a decifrare le istruzioni genetiche che servono a costruire e a far funzionare
l’organismo di ciascuno di noi comporterebbe importantissime conseguenze. La medicina
ne uscirebbe completamente cambiata sia sotto il profilo della cura che della prevenzione.
La tecnica usata per sequenziarlo e analizzarlo è divisa in più fasi.
Prima lo si spezzetta in migliaia di punti (la tecnica “shotgun”), fino ad avere migliaia di
frammenti, perché le macchine che determinano la sequenza, cioè decifrano la
successione delle lettere, possono lavorare solamente su pezzetti molto piccoli e non
sull’intera molecola. Tutto il nostro patrimonio genetico è spezzettato dentro una provetta
minuscola, grande quanto un mignolo. A questo punto i pezzettini vengono clonati, cioè
isolati ognuno in un’altra provetta. Con questo procedimento si è perso l’ordine dei
frammenti, però, utilizzando particolari strumentazioni, si possono analizzare tutti in una
volta.
Una volta determinata una sequenza, tramite una serie di tecniche è possibile riuscire a
immaginare qual è quella che segue. Così si rimettono in ordine i frammenti. Questa è la
parte analitica, la fase di assemblaggio, che permette di vedere l’intero testo della nostra
enciclopedia genetica in ordine. Sequenziare il genoma umano non vuol dire capirne il
significato, ma è una tappa indispensabile per poterlo fare. La completa decifrazione del
nostro patrimonio genetico è più un punto di partenza che di arrivo. La mappa che avremo
a disposizione sarà infatti tutta da comprendere e ci vorranno probabilmente ancora
decenni prima di conoscere pienamente il ruolo di ogni gene, le sue interazioni con gli altri
e le funzioni che svolge in relazione alle malattie. La strada verso l’identikit di ciascun
gene e delle proteine che esso codifica è tutta in salita. Ma si apre una nuova era che
permetterà di intervenire sulle circa 500.000 malattie genetiche, cioè sulle malattie
prodotte dal cattivo funzionamento dei geni. Tra queste la distrofia, l’anemia mediterranea,
alcuni tumori, la leucemia, l’arteriosclerosi.
LA CORSA AL GENOMA
1 dicembre 1999
Viene annunciato che per la prima volta si è ricostruita l’intera sequenza del genoma del
cromosoma umano 22. A porre questa pietra miliare sulla strada della comprensione della
vita, iniziata nel 1953 con la scoperta del Dna, sono stati gli scienziati inglesi del Sanger
Centre, i giapponesi della Keio University di Tokyo e gli americani dell’Oklahoma
University. Questo primo successo è stato coordinato da Ian Dunham, del Sanger Centre 4,
nei pressi di Cambridge, a poche miglia da dove alla fine degli anni ’70 sono stati messi a
punto i processi di base del sezionamento del Dna da Frederick Ranger, il quale ricevette
per questo il suo secondo premio Nobel nel 1980. L’iniziativa è parte del Progetto Genoma
Umano, che, lanciato nel 1986 dal Department of Energy degli Stati Uniti,vede gli
scienziati di tutto il mondo all’opera per decifrare l’intero genoma umano, costituito da circa
3 miliardi di informazioni, entro il 2005 e di decifrare tutti i geni. Allo Human Genome
Project aderiscono circa 50 nazioni5, coordinate centralmente a livello internazionale, 18
delle quali hanno creato dei programmi nazionali di ricerca. Fortemente voluto da Renato
Dulbecco, il Progetto è finanziato dal denaro pubblico (3 miliardi in 15 anni dai governi per
ottenere i diritti esclusivi sulle scoperte per 5 anni) e i suoi risultati sono a disposizione di
tutti gratuitamente. Via via che pezzi di Dna vengono sequenziati, questi sono depositati,
entro un giorno, in un database, la banca dei geni (GenBank), accessibile da altri gruppi di
ricercatori, che possono studiare così i geni appena scoperti.
Ma la “corsa al genoma” vede contrapposta agli scienziati del Progetto una compagnia
privata di Rockville nel Maryland, la Celera Genomycs. Fondata nel 1998 da un ex
componente del Progetto Genoma, Craig Venter6, la Celera punta a diventare la “fonte
4
Il Sanger Centre è finanziato dalla Wellcome Trust, che ha devoluto al Progetto Genoma Umano 210 milioni di
sterline, rendendo possibile la realizzazione in territorio britannico di 1/3 dell’intero progetto.
5
L’Italia nel Progetto non c’è più. Ad occuparsi della parte italiana era stato assegnato il Cnr, che aveva affidato il
coordinamento del nostro programma nazionale a Renato Dulbecco. In 16 anni il Cnr ha stanziato circa 10 miliardi di
lire, poi nel 1995 i fondi non sono stati rinnovati e la partecipazione italiana al Progetto Genoma Umano ha chiuso i
battenti.
6
La biografia di Venter è molto diversa da quella di uno scienziato classico. Liceale svogliato, ha un passato da surfista
e sembra abbia trascorso parte dell'adolescenza mantenendosi con lavoretti saltuari mentre girava su e giù per le coste
della California a caccia delle spiagge migliori. I 21 anni, però, li ha compiuti in Vietnam, arruolato come paramedico
in un ospedale da campo di Da Nang. Finita la leva, ha una carriera accademica velocissima: appena sei anni per
laurearsi in biochimica e concludere il dottorato. Poi, nel 1984, viene assunto come ricercatore in uno dei centri dei
principale d’informazione genetica” e sta anch’essa sequenziando il genoma. Ma non ha
alcuna intenzione di distribuire disinteressatamente i suoi dati: è un impresa commerciale,
che li concederà solo a pagamento, ed ha già chiesto 6.000 brevetti. Inoltre la Celera non
ha scelto a caso il proprio nome: infatti sta andando velocissima. Ha iniziato il lavoro lo
scorso settembre, ma minaccia di terminare la mappatura del Dna molto prima degli
scienziati del Progetto, rispetto ai quali quantitativamente è ormai alla pari. E potrebbe
riuscirci, poiché segue una strategia differente, in cui le sono di aiuto proprio i dati raccolti
in questi anni dal Progetto Genoma.
10 gennaio 2000
Craig Ventre, presidente e direttore scientifico della Celera Genomics, annuncia che la sua
azienda ha raccolto nei suoi database sequenze di Dna sufficienti a coprire il 90% dei
nostri cromosomi. Anzi, visto che una parte del genoma è fatta da Dna “spazzatura”, cioè
che non serve a niente, gli scienziati della Celera sono convinti che i dati in loro possesso
rappresentano una percentuale superiore al 97% di tutti i geni umani. L’obiettiv
o della mappatura completa del “codice della vita” insomma è ormai vicinissimo.
6 aprile 2000
Venter annuncia di aver completato la fase di sequenzionamento del genoma di un essere
umano. Ora inizierà ad assemblare in ordine i singoli frammenti del genoma con l’obiettivo
di completare nel corso dell’anno la del genoma umano. I ricercatori della Celera hanno
identificato tutte le “lettere chimiche” che compongono i geni di un uomo. La scoperta si
concentra sul primo dei sei esseri umani viventi che gli scienziati della società del Venter
sta studiando. La Celera dichiara che il codice della vita sarà reso pubblico, disponibile
gratis ai ricercatori, rassicurando coloro che si erano opposti alla sperimentazione privata
nel timore che si stesse creando un enorme business, quello dei brevetti genetici. Una
paura al centro delle prese di posizione dei due leader nazionale di Usa e Gran Bretagna,
che il 14 marzo in un appello congiunto avevano invitato i ricercatori impegnati nello studio
del genoma umano a rendere accessibili i lori dati agli scienziati di tutto il mondo, perché il
National Institutes of Health, dove lavora sul genoma umano, collaborando al Progetto internazionale, mettendo a punto
alcune brillanti innovazioni per lo studio del Dna. Tuttavia, Venter ritiene che il suo contributo non sia riconosciuto a
sufficienza e nel 1992, in mezzo a un mare di polemiche, abbandona il settore pubblico. Perché non gli hanno dato i
finanziamenti che voleva, dice, e fonda il Tigr, un istituto di ricerca genetica no profit. Nel 1998, Craig Venter lascia
anche il Tigr per creare la Celera Genomics Corporation. L'azienda nasce da una partnership con il Perkin Elmer
Biosystems Group, che mette a disposizione le sue avanzatissime macchine per il sequenziamento del Dna. L'obiettivo
della Celera è completare la decifrazione l'intero genoma umano nell'arco di tre anni per un costo di 300 milioni di
dollari, commercializzando una parte dei risultati delle ricerche.
libero accesso alle informazioni sulla decifrazione del Dna è necessario per migliorare la
qualità di vita di tutto il genere umano.
giugno 2000
La Celera e i ricercatori dello Human Menome Project sono pronti a produrre un working
draft, una bozza del genoma, che comunque può contenere degli errori o può essere
mancante di qualche pezzo.
I CROMOSOMI SEQUENZIATI
DAL PROGETTO GENOMA
Lo Human Genome Project ha sequenziato il genoma spezzettandolo in piccoli frammenti.
Mentre però la Celera ha affrontato il genoma nella sua interezza, il Progetto lo ha fatto
suddividendolo in cromosomi. I genetisti sono riusciti a sequenziarne cinque,
Il primo cromosoma ad essere decrittato è stato il 22, consistente in 545 geni e 134
pseudogeni, meno del 2% del totale, è infatti il secondo più piccolo dopo il 21. Con 51
milioni di basi nucleotidiche, è implicato nel funzionamento del sistema immunitario, nella
schizofrenia, nel ritardo mentale e in diversi tipi di cancro, nella sordità e nella sindrome di
Di Gorge, associata ad un neonato su 4000. Sembra che ci siano almeno 27 malattie
associate alle mutazioni geniche
di questo cromosoma. Il 22 contiene il gene
responsabile della produzione della mioglobina, una proteina che gioca un ruolo di primo
piano nel trasferimento dell’ossigeno alle cellule. Inoltre è coinvolto, con un altro
cromosoma, in una forma di leucemia, la mieloide cronia. E quando alcune delle sue basi
sono mancanti si possono verificare cardiopatie congenite e fino a 40 anomalie finora
identificate.
I ricercatori dell’Istituto del genoma di Walnut Creek in California hanno sequenziato tre
cromosomi, il 5, il 16 e il 19. I “tre bastoncini colorati” con 300 milioni di coppie di basi
combinate in 10-15.000 geni, rappresentano l’11% del genoma umano.
Il cromosoma 5, pari al 6% del genoma, ha a che fare con il cancro collaterale e una forma
di leucemia.
Il 16, pari al 3% del genoma, sarebbe implicato nei tumori alla prostata e al seno e in una
malattie renale.
La mutazione o il malfunzionamento dei geni del cromosoma 19, il 2% del genoma,
sarebbe responsabile dell’arteriosclerosi e di una forma di diabete.
L'altro identikit di cui siamo finalmente in possesso è quello del famoso cromosoma 21,
indicato già dalla fine degli anni Cinquanta come responsabile della sindrome di Down,
quando, per ragioni ancora non chiarite, nel patrimonio genetico ne compare una copia in
sovrappiù. Avere la sequenza e il catalogo dei geni di questo cromosoma significa quindi
disporre per la prima volta di uno strumento essenziale per comprendere le origine della
sindrome di Down e sviluppare approcci terapeutici completamente nuovi per una
patologia che oggi non ha ancora una cura.
Normalmente le cellule umane contengono 46 cromosomi suddivisi in 23 coppie, ciascuna
composta da due copie identiche dello stesso cromosoma (con l'eccezione dei due
sessuali, X e Y), una che viene dal padre e l'altra dalla madre. Nella maggior parte dei
soggetti Down, invece, di copie del cromosoma 21 ce ne sono tre anziché due, e infatti la
malattia è nota anche col nome di "trisomia 21". Una copia extra che provoca la forma più
frequente di ritardo mentale di origine genetica, da cui è colpito un bambino ogni 750, una
cifra che in Italia significa una media di due neonati al giorno.
Il ventunesimo dei nostri cromosomi è il più piccolo di tutti: 33.8 milioni di nucleotidi, le
unità fondamentali del Dna, e appena 225 geni attivi, meno della metà del primo
cromosoma mappato, il 22, che pure ha dimensioni simili alle sue. Inoltre, vaste sezioni
del cromosoma 21 sembra non facciano un bel nulla. C'è una sequenza lunghissima, più
lunga dell'intero genoma del batterio Escherichia coli, che contiene un gene soltanto. Il
panorama del cromosoma 21 ricostruito dagli esperti è così singolare che i ricercatori, nel
presentare il loro studio, parlano addirittura di "deserto genomico".
Ma sebbene copra solo l'uno, forse l'uno e mezzo per cento dell'intero genoma, su di esso
sono stati individuati geni associati con altre malattie importanti, alcune delle quali si
presentano spesso nei soggetti colpiti dalla sindrome di Down. Uno dei tre geni del morbo
di Alzheimer finora conosciuti, ad esempio, è collocato sul cromosoma 21 e sembra
particolarmente responsabile delle forme più precoci della malattia. Il legame tra le due
patologie è confermato dal fatto che, dopo i 40 anni, nel cervello di molte persone Down
compaiono le tipiche placche degenerative dell'Alzheimer.
La sequenza del cromosoma 21 è stata completata da uno sforzo di collaborazione che ha
coinvolto 62 scienziati di sei nazioni: Giappone, Germania, Svizzera, Francia, Usa e
Inghilterra.
LA TECNICA DELLA CELERA
La Celera ha nettamente vinto la rivale pubblica nella corsa al genoma. L'obiettivo della
Celera è completare la decifrazione l'intero genoma umano nell'arco di tre anni per un
costo di 300 milioni di dollari
Il segreto della Celera è la particolarissima tecnica che ha utilizzato, una mescolanza di
genetica e supercalcolo, basata in parte sulle informazioni già di pubblico dominio e
condita con investimenti economici imponenti. L'idea di partenza è quella di affrontare il
genoma nella sua interezza, dividendolo in frammenti casuali.. Questi frammenti sono poi
clonati in milioni di copie, e "sequenziati", vale a dire che vengono messe in ordine tutte le
sequenze di basi (A,C,G e T, le quattro "lettere" dell'alfabeto genetico) che contengono.
L'azienda usa ben 300 macchine per sequenziare il DNA, del valore di circa 250.000
dollari ciascuna, che lavorano ininterrottamente 24 ore su 24. I milioni di sequenze che
queste producono sono poi analizzate e rimesse nell'ordine giusto da un potentissimo
calcolatore (capacità di calcolo superiore a quello del 90 per cento delle nazioni del
mondo), il più grande supercomputer del mondo in mani private, con il risultato finale di
avere una ricostruzione delle sequenze lineari dei cromosomi. Unendo questa tecnica con
i dati con quelli raccolti dal Progetto Genoma Umano, che segue un approccio differente,
la Celera è riuscita ad abbreviare enormemente i tempi, in perfetta coerenza col proprio
nome.
LA BIOINFORMATICA
La bioinformatica è una disciplina scientifica che si occupa dell'informatica volta alla
gestione e all'analisi di dati di tipo biologico. Il sequenziamento del genoma umano e di
vari altri organismi modello in questi ultimi anni dato ha una particolare risonanza a quel
settore della bioinformatica che si occupa dello studio del Dna e delle proteine. Oggi
tramite Internet sono facilmente accessibili una serie di banche dati in cui i laboratori di
genetica di tutto il mondo riversano quotidianamente i dati da loro prodotti, sviluppando
inoltre strumenti per l'analisi e il confronto di queste informazioni. Per identificare un nuovo
gene, fino a qualche anno fa si utilizzavano esclusivamente le classiche procedure
sperimentali, andando in laboratorio ed effettuando una serie di esperimenti mirati. Ma la
bioinformatica ci ha insegnato che molte volte i risultati che noi otteniamo con mesi di
lavoro in laboratorio li possiamo ricavare direttamente dal nostro computer, praticamente a
costo zero e in tempi estremamente ridotti.
Nel secolo in cui viviamo la bioinformatica sarà la disciplina che avrà il maggiore impatto
nel settore della ricerca biomedica, e di conseguenza nelle ricadute sulla nostra salute.
Il supercomputer usato dalla Celera Genomics è stata l’arma vincente per sequenziale il
genoma umano. Il cervellona ha un valore di un centinaio di milioni di dollari ed è in grado
di elaborare grandi quantità di informazioni in tempi relativamente brevi. Il problema
maggiore nel campo della bioinformatica è dovuto al fatto che gli esperti in questo settore
sono molto pochi e sono ricercatissimi dalle industrie farmaceutiche e dai laboratori privati,
che possono permettersi di pagare stipendi due-tre volte superiori a quelli di qualunque
istituzione accademica. In questo modo non solo c'è una fuga dai centri pubblici di ricerca,
ma è minacciata anche la formazione di nuovi bioinformatici, perché vengono a mancare i
docenti e il settore privato non promuove certo iniziative didattiche.
DENTRO UN MOSCERINO
LA CHIAVE DEL GENOMA UMANO
La comparazione dei dati ottenuti con le diverse specie è di fondamentale importanza
nello studio della funzione dei vari geni. Alcuni geni contengono sequenze di Dna
conservate nel corso dell'evoluzione. Confrontando segmenti di DNA umani con altri simili
appartenenti ad organismi modello già studiati e conosciuti è possibile attribuire una
funzione ai geni umani che non si possono studiare con facilità nell'uomo, come i geni
dello sviluppo embrionale o del funzionamento cerebrale.
Così la mappatura completa del Dna della Drosophila Melanogaster, volgarmente nota
come moscerino della frutta, potrebbe rappresentare la chiave per decifrare il genoma
umano. La Drosofila, infatti, da quasi un secolo è la grande protagonista della ricerca
genetica. E’ stato studiandola che sono stati individuati i cromosomi. Da un lato ha molto
in comune con gli animali superiori e con gli esseri umani, con cui condividerebbe quasi il
60 per cento dei geni, inclusi geni legati a patologie come i tumori e l'Alzheimer. Dall'altro,
è un eccellente strumento sperimentale, perché il suo brevissimo ciclo vitale consente di
seguire
rapidamente
le
variazioni
del
Dna
nel
susseguirsi
delle
generazioni.
Oggi, la drosofila torna sotto i riflettori come l'organismo più complesso di cui sia mai stata
ricostruita completamente la sequenza genetica: 13.601 geni, quasi il doppio di quanto si
pensasse, molti dei quali hanno funzioni ancora sconosciute.
La Drosofila gioca il ruolo della paciera, poiché il suo genoma è stato sequenziato in parte
dai ricercatori del Berkeley Drosophila Genome Project e
della Baylor University,
appartenenti al Progetto Genoma, in parte, la più ampia (circa il 75 per cento) dalla Celera.