Tesina di Biologia Animale - IL GENOMA UMANO

Tesina di Biologia Animale

Oggetto: IL GENOMA UMANO

Il Progetto Genoma Umano ha come obiettivo la mappatura del patrimonio genetico umano (genoma), ovvero la descrizione della struttura, della posizione e della funzione dei 100.000 geni che caratterizzano la specie umana. Lo studio del genoma implica il sequenziamento del DNA, cioè l'identificazione dell'esatta sequenza dei 3 miliardi di coppie di basi azotate che ne compongono la molecola e la mappatura, ovvero la determinazione della posizione occupata da ciascun gene rispetto agli altri. La comprensione della funzione del gene e di quali malattie possano derivare da sue alterazioni costituisce l'obiettivo finale del progetto. Il Progetto Genoma Umano fu avviato nel 1990 con il coinvolgimento di istituti di ricerca pubblici coordinati dai National Institutes of Health (NIH), e dal Dipartimento dell'energia (DOE), degli Stati Uniti. La sua conclusione, prevista inizialmente nel 2005, fu in seguito anticipata al 2003.

Tra gli stati partecipanti vi sono la Francia, la Germania, il Giappone, l'Italia, la Gran Bretagna e altri membri dell'Unione Europea.

Una molecola di DNA ha la forma di una scala a pioli elicoidale, in cui i montanti sono costituiti da zuccheri e fosfati, e i pioli da coppie di quattro diverse basi azotate: adenina (A), timina (T), citosina (C) e guanina (G). Una determinata sequenza di coppie di basi azotate costituisce un gene; l'informazione in essa contenuta viene interpretata secondo il codice genetico, che stabilisce una corrispondenza tra basi azotate e amminoacidi. In tal modo i geni regolano la sintesi delle proteine.

Il progetto menoma umano costituisce l'ideale campo di sperimentazione di nuove procedure di laboratorio che possono poi essere applicate in altre ricerche di biologia molecolare e ingegneria genetica; inoltre, stimola lo sviluppo di sistemi integrati di informazione, data la necessità dei diversi centri di ricerca di comunicare e di accedere a banche-dati comuni.

Quindi, obiettivi non secondari del Progetto Genoma Umano sono la produzione di nuove tecnologie per le indagini di laboratorio, per la elaborazione dei dati e per la creazione di database in cui organizzare l'immane quantità di informazioni ottenute.

Lo studio del patrimonio genetico offre anche numerosi spunti alla riflessione bioetica, che riguardano, per citarne alcuni, la legittimità dell'uomo di manipolare i geni, la liceità di porre un brevetto sulle scoperte, la possibilità di perseguire la strada della terapia genica per la risoluzione di alcune malattie genetiche. Allo scopo di esaminare i possibili risvolti etici, legali e sociali della "questione genetica", i promotori del Progetto Genoma Umano costituirono al suo avvio una commissione speciale, la ELSI (Ethical, Legal and Social implications Project).

     NASCITA DEL PROGETTO

L'idea di intraprendere uno studio coordinato del genoma umano sorse tra il 1985 e il 1987, nel corso di una serie di congressi scientifici internazionali. Nel 1988 due istituzioni governative statunitensi, il National Institutes of Health (NIH), e il Dipartimento dell'energia (DOE) stanziarono i fondi necessari e formalizzarono la loro collaborazione con un documento in cui si proponevano di coordinare la ricerca e le procedure tecniche per lo studio del genoma umano.

L'avvio delle ricerche si ebbe nel 1990, quando fu pubblicato un piano quinquennale degli istituti coinvolti; tra gli obiettivi, erano indicati il sequenziamento e la mappatura di organismi comunemente impiegati nei laboratori di ricerca genetica (quali il batterio Escherichia coli, il lievito Saccharomyces cerevisiae e il moscerino della frutta Drosophila melanogaster), e della specie umana; la diffusione dei dati tra i vari centri; lo sviluppo delle tecnologie di laboratorio.

In realtà, nel 1993, prima dello scadere dei 5 anni, poiché erano stati compiuti molti progressi in tempi più rapidi del previsto ed erano state elaborate nuove efficienti procedure sperimentali, il piano quinquennale originario fu rivisto e aggiornato; la scadenza fu prorogata al 1998 e furono aggiunte nuove finalità, tra cui la ricerca di marcatori genetici e la messa a punto di nuove tecniche di mappatura.

Nel 1998 un nuovo accordo quinquennale tra NIH e DOE fissò al 2003 il completamento dei lavori e aggiunse all'obiettivo originario anche quello dello studio della variabilità genetica del genoma umano e della sua funzione.

Uno dei primi direttori del progetto fu il biochimico statunitense James Watson che, con il biofisico britannico Francis Crick, elaborò lo storico "modello a doppia elica" del DNA. Attualmente, il progetto è coordinato dal medico statunitense Francis Collins.

     SVILUPPO DEL PROGETTO

Il termine Genoma, definisce l'insieme di tutto il materiale genetico di un organismo vivente.

Il genoma umano è composto da circa 100.000 geni, localizzati su 23 coppie di cromosomi presenti nel nucleo di ciascuna cellula. Ogni gene è formato da un tratto di molecola di DNA, e contiene una sequenza di coppie di basi azotate: se il gene può essere paragonato a una parola, ciascuna coppia di basi può essere fatta corrispondere a una lettera di quella parola.

Diversi geni si trovano sui cromosomi, osservabili nelle cellule al momento della divisione (mitosi); quindi, ogni cromosoma contiene diverse parole e può essere paragonato a una frase. Un singolo cromosoma può arrivare a contenere più di 250 milioni di coppie di basi, mentre l'intero genoma umano, secondo alcune stime, è costituito da circa 3 miliardi di coppie di basi.

Il DNA analizzato dal Progetto Genoma Umano proviene da piccoli campioni di sangue o di altri tessuti, ottenuti da molti individui diversi. Benché i geni del patrimonio genetico di ciascun individuo siano costituiti da sequenze uniche di DNA, la variazione media del genoma di due persone diverse risulta essere inferiore all'1%. Quindi, rispetto alle somiglianze, le differenze tra i campioni di DNA ottenute da fonti diverse si possono considerare estremamente ridotte.

     TECNICHE DI MAPPATURA DEL GENOMA

Esistono 2 tipi fondamentali di tecniche per la mappatura dei geni:

la mappatura genica e la mappatura fisica.

1. La mappatura genica identifica solo l'ordine relativo dei geni lungo ciascun cromosoma.
2. La mappatura fisica localizza la posizione esatta dei geni sui cromosomi e ne determina le distanze reciproche. Entrambi questi metodi fanno uso di marcatori genetici, ossia di particolari caratteri fisici biochimici che variano tra gli individui.

1. Il metodo di mappatura genica fu sviluppato agli inizi del XX secolo dal biologo e genetista statunitense Thomas Hunt Morgan; osservando la frequenza con cui alcuni caratteri venivano trasmessi associati in numerose generazioni di moscerino della frutta, Morgan giunse alla conclusione che i tratti più frequentemente ereditati in modo associato, cioè contemporaneamente, dovessero corrispondere a geni localizzati l'uno accanto all'altro sullo stesso cromosoma. Questi studi portarono Morgan a tracciare una mappa genetica del moscerino della frutta. Sofisticate tecniche di laboratorio permettono ai ricercatori di creare mappe confrontando la posizione del gene di interesse con l'ordine relativo di alcuni marcatori genetici o di specifici segmenti noti del DNA.

2. La mappatura fisica determina la distanza fisica tra alcuni punti di riferimento sui cromosomi, mediante apparecchiature computerizzate. Il DNA viene estratto dai cromosomi umani e spezzato in modo casuale in numerosi frammenti; questi ultimi vengono riprodotti in laboratorio in cloni identici, cioè in numerose copie che possono essere analizzate a una a una allo scopo di individuare la presenza o l'assenza di specifici marcatori genetici. I cloni che condividono più marcatori molto probabilmente derivano da segmenti del cromosoma sovrapponibili, cioè molto simili fra loro. Le regioni dei cloni che si sovrappongono, quindi, possono essere confrontate per determinare l'ordine globale dei marcatori e l'esatto ordinamento dei frammenti clonati di DNA sul cromosoma.

Sequenziamento del DNA

Reazione a catena della polimerasi

La reazione a catena della polimerasi (PCR) è una procedura mediante la quale è possibile ottenere in tempi estremamente rapidi un gran numero di copie di un frammento di DNA, utilizzando un enzima specifico, la polimerasi e una miscela di nucleotidi liberi. La PCR si svolge in tre fasi.

Durante la prima fase, (denaturazione) la molecola di DNA viene riscaldata e scissa nei due filamenti complementari.

Nella seconda fase, brevi sequenze di DNA dette promotori o primers, sintetizzate chimicamente, vengono aggiunte nella provetta di reazione; ad una determinata temperatura, i primers si legano in punti specifici di ciascun filamento di DNA. I primers sono indispensabili al passaggio seguente, detto polimerizzazione.

Infine nelle terza fase, la polimerasi catalizza il legame delle sequenze primer con nucleotidi liberi; ciò avvia la progressiva formazione di un nuovo filamento di DNA complementare a quello originario. Per ogni ciclo della PCR, dunque, si ottengono due copie identiche del frammento iniziale di DNA; la velocità della reazione è tale che in poche ore vengono sintetizzati cento miliardi di molecole.

Secondo il metodo sviluppato dal biochimico britannico Frederick Sanger, specifiche porzioni di DNA vengono duplicate e modificate alle estremità attraverso l'aggiunta di un composto fluorescente, diverso a seconda della base azotata cui è legato. I sequenziatori automatici riconoscono con un raggio laser il nucleotide modificato, e determinano l'esatto numero di nucleotidi di ciascuna catena. Queste informazioni vengono integrate da un computer, che ricostruisce la sequenza di coppie di basi presente nella molecola di DNA originale.

Fino agli anni Ottanta i frammenti di DNA umano venivano integrati al patrimonio genetico di organismi unicellulari a rapido ciclo vitale, come batteri o lieviti, allo scopo di ottenere rapidamente numerose copie di quei frammenti. Questa tecnica fu in seguito sostituita da una procedura automatizzata il cui avvento costituì una vera rivoluzione nella biologia molecolare: la reazione a catena della polimerasi, messa a punto dal biochimico statunitense Kary B. Mullis, grazie alla quale in poche ore si ottengono milioni di copie di un singolo filamento di DNA.

      LE PRIME SCOPERTE

Nell'ambito del Progetto Genoma Umano, il primo risultato eclatante è stata la decifrazione del cromosoma numero 22, annunciata il 22 dicembre 1999 dai ricercatori inglesi del Sanger Center di Cambridge, coordinati dal biochimico Ian Dunham, e da scienziati statunitensi e giapponesi. Il cromosoma 22 è il più piccolo cromosoma umano (dopo il numero 21); contiene numerosi geni implicati nella risposta immunitaria e in patologie come le disfunzioni cardiache congenite, la leucemia, il ritardo mentale, la schizofrenia e la trisomia del cromosoma 22 (una delle principali cause di aborto spontaneo). Il sequenziamento e la mappatura del cromosoma 22 hanno condotto alla individuazione di 679 geni; si ritiene che sul cromosoma se ne trovino complessivamente circa un migliaio. La scoperta, a livello del grande pubblico, ha indotto molte speranze circa lo sviluppo della terapia genica per la cura di gravi malattie genetiche.

Nel dibattito sui risultati del Progetto Genoma è emerso il crescente interesse dell'industria privata a partecipare alla ricerca genetica; non era chiaro, però, se le società private e gli istituti pubblici fossero disposti a collaborare e a stabilire reciprocamente un libero accesso ai dati. In particolare, nel 1999 è divenuto noto che la società privata Celera Genomics di Rockville, nel Maryland, guidata dal biologo e imprenditore Craig Venter, stava anch'essa conducendo studi sul genoma umano e prevedeva di completarne la mappatura in tempi più brevi e con costi inferiori rispetto ai laboratori coinvolti nel Progetto Genoma Umano.

Il 6 aprile 2000 Craig Venter ha dichiarato raggiunta la prima fondamentale tappa per la mappatura del genoma umano: nei laboratori della Celera Genomics è stato sequenziato l'intero DNA di un essere umano, cioè è stata definita la sequenza delle coppie di basi azotate presenti nelle molecole dell'acido nucleico.

Il risultato della Celera Genomics apparentemente metteva in concorrenza la ricerca pubblica e quella privata. I laboratori di Venter hanno completato il lavoro in sei mesi, avvalendosi di 300 apparecchiature per il sequenziamento del DNA (sequenziatori), e di computers estremamente sofisticati, attivi 24 ore su 24. Per la ricerca è stata adottata una particolare tecnica, il sequenziamento whole-genome shotgun: un campione contenente un patrimonio genetico umano intero viene suddiviso in frammenti; questi vengono analizzati separatamente dai sequenziatori; calcolatori elettronici elaborano i dati in modo da ricomporre il puzzle delle sequenze di basi; alla fine, si deve procedere alla mappatura.

Al contrario, i laboratori del Progetto Genoma Umano hanno proceduto frazionando il DNA in frammenti, mappando i geni di ciascuna porzione e sequenziando infine la molecola dell'acido nucleico.

Un nuovo passo nella comprensione del genoma umano è stato effettuato dai ricercatori del Progetto Genoma. Il 15 aprile 2000 Bill Richardson, segretario del DOE, ha dichiarato che l'Istituto del genoma di Walnut Creek, in California, ha mappato i cromosomi numero 5, 16 e 19, su cui si trovano, fra l'altro, geni coinvolti nel cancro colorettale e in tumori della prostata e del seno.

     IL COMPLETAMENTO DELLA FASE DI SEQUENZIAMENTO

La prima parte della ricerca genetica della Celera Genomics è stata completata con l'annuncio del 26 giugno 2000: è stato ultimato il sequenziamento del genoma di cinque esseri umani di diverso sesso ed etnia. I dati raccolti possono essere elaborati per definire un'unica sequenza del patrimonio genetico umano, tenendo conto della variabilità esistente tra individui ed etnie differenti. In tale occasione, si è anche stabilito un accordo tra Venter e Collins, l'attuale coordinatore del Progetto Genoma, in base al quale i risultati delle reciproche ricerche potranno essere condivisi mediante database presenti su reti informatiche; inoltre, potranno essere brevettate le applicazioni terapeutiche delle scoperte, ad esempio nuovi farmaci.

Fonti utilizzate per lo sviluppo di qusta tesina:

Enciclopedia Microsoft Encarta 2006

Enciclopedia Rizzoli Larousse 2005

Vari siti internet