RSS

Archivi tag: geni

Tre miliardi di anni fa il boom genetico che cambiò la storia della vita

ResearchBlogging.orgProprio ieri tessevo le lodi della biologia computazionale, ed ecco che su Nature compare una ricerca che senza la bioinformatica non avrebbe mai potuto essere fatta. Lawrence David ed Eric Alm, del MIT di Cambridge, sono riusciti a ricostruire la storia evolutiva dei genomi partendo da quelli attuali, fino ad arrivare a circa 4 miliardi di anni fa. Grazie a un complesso modello matematico, i due ricercatori hanno di fatto scoperto quali geni possedevano i batteri che sguazzavano negli oceani del Precambriano, senza ovviamente aver mai visto un solo reperto fossile di questi microrganismi.

Il modello messo a punto dai due scienziati americani si chiama AnGST (Analyser of Gene and Species Trees) e prende in considerazione tutti gli eventi che potrebbe subire il genoma di un organismo vivente durante l’evoluzione: i geni infatti possono nascere, essere persi, duplicarsi o traslocare da una specie a un’altra. E’ stato in questo modo possibile ricostruire la storia evolutiva di circa 4000 famiglie geniche, e scoprire che il momento clou di tutto il cammino evolutivo risale a circa 3 miliardi di anni fa, nel periodo noto come Archeano.

Quella che gli autori chiamano “espansione Archeana” è stata un vero e proprio boom genetico, che ha visto prima una comparsa quasi esplosiva di nuovi geni, e successivamente un’altrettanto repentina eliminazione. Il 27% delle famiglie geniche di oggi sono nate in quel preciso momento. E’ come se improvvisamente quelle cellule primordiali avessero in qualche modo rivoluzionato il proprio arsenale genetico, forse perché divenuto obsoleto per le nuove condizioni ambientali. Se mi concedete il paragone, è stato un po’ come cambiare i vestiti dell’armadio nel passaggio dall’estate all’inverno.

Ma cosa è accaduto di così sconvolgente 3 miliardi di anni fa? Inizialmente si pensava all’aumento della concentrazione di ossigeno in seguito a quello che gli scienziati chiamano Great Oxidation Event, ma analizzando meglio i geni nati durante l’espansione Archeana è stato possibile escludere questa possibilità: gli enzimi che utilizzano l’ossigeno appaiono infatti solo al termine di questo boom, e la concentrazione di ossigeno non può quindi essere stato il fattore scatenante.

Piuttosto, ipotizzano i ricercatori, la crescita della quantità di ossigeno potrebbe essere stata al contrario una conseguenza del boom genetico. Sembra infatti che i geni nati in quel momento siano legati al trasporto degli elettroni e alla respirazione cellulare anaerobica. Qui nacquero insomma i primi meccanismi fotosintetici, che iniziarono a produrre grandi quantità di ossigeno e presumibilmente provocarono il Great Oxidation Event: non stupisce quindi che subito dopo iniziarono a comparire le prime proteine in grado di utilizzare questo gas.

David, L., & Alm, E. (2010). Rapid evolutionary innovation during an Archaean genetic expansion Nature DOI: 10.1038/nature09649

Image credit: Lawrence David

Altri link:

 
1 commento

Pubblicato da su 20 dicembre 2010 in Scienza

 

Tag: , , , , , , , , , , ,

La complessità dei viventi è un dato di fatto

Come prevedibile, l’articolo pubblicato sul Bioscience Resource Project (che io stesso ho commentato nel post precedente) ha scatenato un putiferio tra i genetisti. Gli autori sostanzialmente negavano il ruolo dei geni nella suscettibilità alle malattie comuni, basandosi sui presunti fallimenti degli studi di associazione genome-wide condotti negli ultimi anni. Secondo Jonathan Latham e Allison Wilson, la ricerca genomica è stata un continuo spreco di denaro che non ha portato nessun risultato utile. Anzi, a loro dire, i ricercatori di questo settore si stanno inventando dei nuovi filoni di ricerca (epigenetica, varianti rare ecc.) soltanto per accaparrarsi nuovi finanziamenti. Basta con la ricerca sui geni, dicono: i soldi spendiamoli per capire come la dieta e lo stile di vita influiscono sulla nostra salute, perché è solo a questi che dobbiamo imputare le malattie che ci colpiscono.

Le reazioni sono state immediate. Mary Mangan, sul blog OpenHelix, ci va giù pesante, accusando i due autori e chiamandoli “negazionisti del DNA”. Rincara la dose Luke Jostins su Genomes Unzipped, impartendo una lezione sui metodi utilizzati per calcolare l’ereditabilità negli studi dei gemelli (secondo Jostins i due oppositori della genetica non hanno le idee molto chiare sulla questione). Prosegue la critica il guru Daniel MacArthur, che su Genetic Future contesta l’articolo incriminato su più punti, considerandolo come un’occasione persa per parlare della situazione reale della ricerca genomica. Infine, Keith Grimaldi su Eurogene scrive un post alternativo, riprendendo le stesse argomentazioni utilizzate da Latham e Wilson rigirandole però contro di loro: il risultato finale è una parodia sarcastica della loro logica illogica.

Gente, è bene che vi mettiate in testa una cosa: gli esseri viventi sono oggetti complessi. Ma complessi tanto eh! Le malattie non sono causate solo dai geni (come sostenuto ironicamente da Keith Grimaldi), né solo dall’ambiente (come sostenuto seriamente da Latham e Wilson). Entrambi giocano un ruolo fondamentale in praticamente tutte le patologie, e i rapporti cambiano da malattia a malattia. Ho sempre mal sopportato gli estremisti: tendenzialmente chi tiene una posizione estrema lo fa perché non è in grado di comprendere le sfumature e le interazioni complesse. Ma qui c’è poco da comprendere, gli esseri viventi sono complessi e bisogna accettarlo. E’ un dato di fatto!

Image credit: Psychology Today

 
11 commenti

Pubblicato da su 16 dicembre 2010 in Medicina, Nutrizione, Salute, Scienza

 

Tag: , , , , , , ,

I dieci geni dai nomi più strani

Quando un ricercatore dà un nome a un nuovo gene appena scoperto, dovrebbe farlo con un minimo di serietà e di professionalità, soprattutto se quel gene svolge una funzione importante. Niente di più lontano dal vero: il battesimo di un gene, per molti scienziati, è il momento in cui, per una volta, essere liberi di sprigionare la propria creatività, e se il nome risulta intelligentemente spiritoso tanto meglio. Cercando in rete, infatti, si possono trovare geni che hanno ricevuto i nomi più bizzarri, e la cosa interessante è che, molto spesso, dietro queste scelte ci sono delle precise ragioni biologiche. Ecco qui la mia personale classifica dei 10 nomi più strani.

10. SONIC HEDGEHOG
Questo gene fu scoperto per la prima volta nel moscerino della frutta (Drosophila melanogaster) e fu chiamato Hedgehog (riccio in italiano), perché le larve mutanti per questo gene avevano la forma di ricci. Quando poi si scoprì il gene anche in uomo, pensarono bene di chiamarlo Sonic Hedgehog, come il riccio Sonic, protagonista del popolare videogame.

9. POKEMON
Si tratta di uno dei geni POK ed è in realtà una sigla che sta per POK Erythroid Myeloid ONtogenic. Il gene, identificato dal genetista italiano Pier Paolo Pandolfi, fu poi rinominato con il nome Zbtb7, dopo che la casa produttrice del noto cartone animato minacciò il centro di ricerca con un’azione legale: a quanto pare, non gradiva molto che il suo marchio venisse associato a un gene che può provocare il cancro.

8. RING
Quando un gene ti sembra interessante ma non sei sicuro della sua funzione, perché non chiamarlo semplicemente “nuovo gene molto interessante”? Da qui la scelta di RING, che sta semplicemente per Really Interesting New Gene.

7. GYPSY
Il gene Gypsy è un trasposone, cioè un elemento di DNA in grado di spostarsi in punti diversi del genoma, come uno zingaro. In inglese “gypsy” significa infatti proprio questo.

6. PASTICCINO
Più che un gene è una vera e propria famiglia genica, infatti esistono Pasticcino1, Pasticcino2 e Pasticcino3 (chiamati per brevità geni PAS). Il motivo per cui sono stati chiamati così non sono riuscito a trovarlo, ma certo non mi ha stupito scoprire che nel gruppo che li ha identificati ci fosse una ricercatrice italiana. Che probabilmente ama i dolci.

5. KEN AND BARBIE
I moscerini mutanti per questo gene sono privi di genitali esterni, proprio come Barbie e Ken.

4. CLEOPATRA
Sembrerà incredibile, ma questo gene si chiama così perché l’interazione di questo mutante con il gene asp è letale. Tutti sappiamo infatti che la regina egizia Cleopatra si suicidò facendosi mordere da un’aspide (asp in inglese).

3. SUPERMAN
Le piantine di Arabidopsis thaliana mutate per questo gene sviluppano un maggior numero di stami nel fiore. Più tardi fu scoperta un’altra mutazione simile, e chiamarono il gene Clark Kent.

2. KRYPTONITE
Così come il minerale Kryptonite è letale per Superman, allo stesso modo una mutazione in questo gene è in grado di contrastare l’effetto del gene Superman.

1. FUCK
Avete capito bene, molte specie di batteri hanno un gene che si chiama come la famosissima parolaccia. Non si vuole offendere nessuno ovviamente, si tratta solo di una intelligente abbreviazione del gene fuculose kinase. fucK svolge la funzione di aggiungere un gruppo fosfato allo zucchero fuculosio. Certo, a giudicare dal nome ci aspettavamo qualcosa di più eccitante.

Fonti: Clever Gene Names, Curiosities of Biological Nomenclature

 
2 commenti

Pubblicato da su 16 novembre 2010 in Educational, Scienza, Varie

 

Tag: , , , , , , , , , , , ,

Melo da record: mai visti tanti geni in un genoma solo!

Ieri ho avuto il piacere di seguire un seminario del prof. Riccardo Velasco, ricercatore presso l’Istituto Agrario di San Michele all’Adige. L’argomento era il genoma del melo Malus domestica, sequenziato da un consorzio internazionale di cui l’istituto trentino ha fatto parte. Il genome paper, come si dice in questi casi, è stato pubblicato alla fine dell’estate, e si è persino meritato la copertina del numero di Ottobre di Nature Genetics.

Cosa abbia di speciale il genoma del melo è presto detto: questa specie ha la bellezza di 57mila geni. Si tratta di un numero estremamente elevato, quasi certamente il più alto in assoluto tra tutti i genomi finora sequenziati. Per arrivare a questa cifra impressionante sono stati utilizzati sei predittori diversi, cioè sei programmi che, sulla base della sequenza genomica, individuano i punti dove potrebbero trovarsi i geni. Il dato è ancora più sorprendente se si considera che, in realtà, si tratta di una predizione molto stringente e quindi la più sicura possibile: se fossero state presi come buoni anche i geni più incerti, sarebbe stata agevolmente sfondata quota 60mila.

Ma perché il melo ha tutti questi geni? Una possibile spiegazione potrebbe essere il grande evento di duplicazione avvenuto 50 milioni di anni fa, in cui l’intero genoma del progenitore del melo subì un gigantesco “copia e incolla”. Da allora sono avvenuti un sacco di riarrangiamenti cromosomici: spostamenti di pezzi di cromosomi, cromosomi interi che si sono fusi tra loro, blocchi di DNA eliminati. Questa pianta ne ha viste veramente di tutti i colori. Gli autori riescono anche a ipotizzare un modello che spiega che fine hanno fatto i 9 cromosomi originari, e quali assurde peripezie hanno subito negli ultimi milioni di anni, per arrivare a diventare i 17 cromosomi del melo attuale.

Grazie alla suddetta duplicazione genomica, il melo può ora vantare il record della specie vegetale con più geni (probabilmente detiene anche il record assoluto rispetto a tutti gli organismi sequenziati, ma siccome i dati che ho trovato sono discordanti non azzarderei un’affermazione del genere): tanto per dare qualche numero, il pioppo e la soia ne hanno 46mila, il riso 40mila e il mais 32mila. Sono molto curioso di sapere quanti ne rivelerà il gigantesco genoma del frumento, quando il suo sequenziamento sarà davvero completato: con i suoi 16 miliardi di paia di basi ha tutte le carte in regola per fare impallidire anche il nostro Malus domestica.

Velasco R et al “The genome of the domesticated apple (Malus × domestica Borkh.)”, Nature Genetics 2010, 42, 833 – 839

Altri link

 
4 commenti

Pubblicato da su 11 novembre 2010 in Scienza

 

Tag: , , , , , , , , , ,

GenoMIX #6 – Ottobre 2010

La notizia più importante dell’ultimo mese è senz’altro quella che riguarda il progetto 1000 genomi, la grande iniziativa internazionale che mira a svelare la maggior parte della variabilità genetica della specie umana. I risultati della fase pilota sono già interessanti, con 179 nuovi genomi sequenziati e la scoperta che ognuno di noi porta dentro di sé 250-300 geni non funzionanti: a salvarci è il fatto che siamo diploidi, cioè abbiamo due copie per ognuno dei nostri geni.

Grandi novità anche sul fronte della genetica personale. I membri del blog collettivo Genomes Unzipped hanno deciso di pubblicare online i propri dati genetici, con lo scopo di accelerare la ricerca genomica e di convincere la gente che “il DNA non fa paura”. Io sono un grande estimatore di quel blog, il migliore nella categoria, ma stavolta ho dovuto schierarmi contro la loro iniziativa: la privacy è importante, e nessuno sa quali scoperte verranno fatte in futuro sul genoma umano, e come queste saranno usate.

La grande famiglia delle specie sequenziate ha visto l’inserimento di un nuovo componente, e un componente di primissimo livello! Il suo è un genoma da guinness dei primati. Si tratta del fiore giapponese Paris japonica, che con il suo DNA gigantesco (149 miliardi di paia di basi) è la specie con il genoma più grande finora conosciuto. Il grazioso fiore lontano parente dei gigli batte il primato precedentemente detenuto dal pesce africano Protopterus aethiopicus.

Ottobre è stato un mese importante anche per le aziende di biotecnologie americane. Il governo statunitense ha infatti dichiarato che i geni umani non sono brevettabili, mettendo in grave difficoltà la Myriad Genetics e molte altre società del settore. La notizia è rilevante perché segna un cambiamento di tendenza che avrà sicuramente delle ripercussioni su tutta l’industria biotech: per anni, infatti, l’Ufficio Brevetti era stato estremamente generoso nella concessione di brevetti sul genoma umano.

A colpire di più l’opinione pubblica è stato però il sequenziamento del genoma del cantante Ozzy Osbourne, che si è sottoposto a questo particolare esperimento con lo scopo di scoprire quali geni gli abbiano permesso di vivere così a lungo nonostante la sua vita di eccessi. Ozzy non ha però avuto risposte certe, né le hanno avute gli scienziati, che hanno potuto fare soltanto ipotesi e non hanno imparato niente di nuovo da questo celebre genoma. Tutto il settore si è fatto però un’ottima pubblicità presso il grande pubblico, dal momento che forse ora qualche persona in più sa che cosa significa “sequenziare un genoma”.

 
Lascia un commento

Pubblicato da su 31 ottobre 2010 in GenoMIX

 

Tag: , , , , , , , ,

…E non chiamatelo più DNA spazzatura!

Signori, è giunta l’ora di cancellare dal vocabolario l’espressione “DNA spazzatura”: questo termine, utilizzato per definire quel 98% del genoma che non codifica per proteine, può ormai ritenersi obsoleto. E’ stato coniato in un periodo in cui si credeva ancora che tutto il lavoro, nelle cellule, lo facessero le proteine, e che il DNA non tradotto poteva essere tranquillamente liquidato come un retaggio evolutivo senza alcuna funzione. Negli ultimi anni, tuttavia, la scienza è tornata sui propri passi, avendo scoperto che quella parte del genoma tanto bistrattata possiede in realtà delle importanti funzioni di regolazione: dopotutto, i trascritti che vengono convertiti in proteine sono solo una piccola parte rispetto alle montagne di RNA prodotti dalle cellule. RNA interference e microRNA, scoperti negli anni 90, sono gli esponenti più illustri di questo esercito di nuovi attori saliti alla ribalta, ma non sono i soli.

Si legge in un articolo pubblicato da poco su Cell che dei particolari RNA non codificanti, chiamati Long Non-Coding RNAs, potrebbero infatti essere degli attivatori dell’espressione genica. La scoperta è notevole, perché in passato queste molecole erano state associate, al contrario, a meccanismi inibitori come l’imprinting, cioè quel fenomeno per il quale un allele ereditato da uno dei nostri due genitori viene silenziato. Che i long ncRNAs avessero una qualche funzione gli autori del lavoro l’avevano già sospettato osservando che tre linee di cellule differenti esprimevano diversi set di queste molecole, come a voler suggerire un possibile ruolo nel differenziamento cellulare. Ma quando hanno visto che spegnendoli si otteneva una riduzione dell’espressione dei geni vicini, i ricercatori hanno capito di avere tra le mani un enorme risultato scientifico.

In sette casi sui dodici testati, l’eliminazione del ncRNA con la tecnica dell’RNA interference riduceva la sintesi di geni più o meno vicini, sia sullo stesso filamento di DNA che su quello complementare. Questo significa che, quando presente, il ncRNA ha un effetto positivo sull’espressione dei geni confinanti, effetto confermato da saggi di trascrizione eterologa in cui l’RNA veniva appositamente inserito per stimolare la sintesi di un gene reporter. Come questa attivazione avvenga ancora non è dato sapere. Gli autori ipotizzano che queste molecole potrebbero richiamare dei fattori di trascrizione, facilitandone il legame con il promotore dei geni vicini, oppure allontanare dei repressori, o ancora indurre un rimodellamento della cromatina per favorire la trascrizione.

Quel che è certo è che nei prossimi anni assisteremo a una sicura rivalutazione del cosiddetto DNA spazzatura. Non voglio dire che tutto il genoma umano, dal primo all’ultimo nucleotide, abbia una funzione. Semplicemente, ho l’impressione che gli RNA stiano abbandonando il loro ruolo di comprimari, per diventare sempre più i veri protagonisti delle nostre cellule.

Andersson U et al. “Long Noncoding RNAs with Enhancer-like Function in Human Cells” Cell 2010, 143:46-48.

Image Credit: Cell

 
5 commenti

Pubblicato da su 5 ottobre 2010 in Scienza

 

Tag: , , , , , , , , ,

Interazioni geni-ambiente: impariamo dal lievito

“Scoperto il gene della stupidità” – “Individuato il gene della miopia” – “Trovato il gene del mal di testa” – “Brutti voti a scuola? Colpa dei geni difettosi”. Sono solo alcune delle notizie più recenti che sono apparse sui giornali nelle scorse settimane. Molto spesso si tratta di titoli esagerati, scritti ad hoc per catturare l’attenzione, e la realtà è ben diversa: nella stragrande maggioranza dei casi, infatti, il DNA non determina in modo assoluto il nostro destino. A questo proposito, c’è un’espressione che rende bene il concetto dell’interazione tra i geni e l’ambiente: i geni caricano la pistola, ma l’ambiente preme il grilletto. Quello che c’è scritto nel nostro codice genetico, infatti, rappresenta solo una parte del rischio effettivo di ammalarsi di una certa patologia: all’equazione mancano almeno due termini importanti, il background genetico e appunto l’ambiente, lo stile di vita. Il background genetico è quello che distingue ad esempio un asiatico da un africano, mentre fare sport o fumare sono due stili di vita che chiaramente vanno a condizionare il risultato finale. La stessa variante genetica (vedi “il gene della stupidità”) può produrre i suoi effetti solo in un certo ambiente, oppure solo nelle persone appartenenti a un particolare gruppo etnico.

La faccenda è quindi complessa. Purtroppo, però, non è affatto semplice allestire un esperimento che ci dica come tutte queste variabili interagiscono tra loro, almeno per quanto riguarda l’uomo. E’ stato molto più facile per un gruppo di ricerca del Missouri analizzare questo complicato sistema in lievito: è una specie molto diversa, chiaramente, ma è un perfetto esempio per capire meglio la questione. Gli autori del lavoro, pubblicato su PLoS Genetics, hanno valutato l’efficienza di sporulazione di cellule di lievito in 8 tipi di terreni diversi, utilizzando linee il cui DNA differiva per il background generale oppure per quattro singole posizioni modificate una alla volta. Lo so, il disegno sperimentale è piuttosto complicato, cercherò di spiegarmi meglio.

Prendete due genomi di lievito diversi l’uno dall’altro e chiamateli Oak e Vineyard: sono i due diversi background genetici. Dopodiché, in questi genomi considerate quattro posizioni precise per le quali esistono due alleli, cioè due possibili varianti, che hanno un certo effetto sull’efficienza di sporulazione (la sporulazione è semplicemente una forma di riproduzione).

Ci saranno quindi 16 possibili combinazioni alleliche per queste quattro posizioni, che inserite nei due background genetici diventano 32 linee cellulari differenti. Mettetele in otto ambienti (terreni di coltura) diversi e calcolate l’efficienza di sporulazione. Questo è più o meno quello che hanno fatto i ricercatori americani, ed ecco qui a sinistra quello che hanno ottenuto.

Ogni barra orizzontale rappresenta una delle 32 linee di lievito, mentre le colonne sono i vari terreni utilizzati. L’intensità del colore è direttamente proporzionale all’efficienza di sporulazione.

Si vede chiaramente che le linee orizzontali non sono colorate in modo uniforme: significa che lo stesso DNA può produrre effetti diversi a seconda del terreno di coltura su cui crescono le cellule. Insomma, anche se un certo allele è in linea di massima dannoso, il modo in cui si manifesta cambia decisamente in funzione dell’ambiente: riuscite a vedere l’analogia con noi esseri umani?

Guardate ora questo grafico. A sinistra c’è un background genetico, a destra c’è l’altro. Se ci concentriamo sul background genetico di sinistra (Oak) e osserviamo l’effetto dell’allele rsf1, notiamo che esso provoca un abbassamento dell’efficienza di sporulazione soltanto quando le cellule crescono su essudato e su succo d’uva: nel terzo terreno (pallino nero), l’allele rsf1 non sembra produrre praticamente nessun effetto.

Visto? Stessi alleli, stesso background genetico, DNA identico in tutto e per tutto: eppure, quando cambia l’ambiente, cambia il risultato finale. Non solo: se confrontate il pannello di sinistra con quello di destra, scoprirete che l’efficienza di sporulazione varia anche quando cambiamo il background genetico e teniamo fisso tutto il resto. E non finisce qui, perché gli scienziati scoprono che due singoli alleli possono anche interagire tra di loro, producendo un effetto diverso, ma questo accade solo quando si trovano in un certo ambiente o in un preciso background genetico.

Come potete vedere le relazioni che si vengono a formare tra il DNA e l’ambiente sono innumerevoli, e tutti questi fattori contribuiscono a determinare, ad esempio, se ci ammaleremo di questa o quest’altra malattia. Nel caso di esseri umani non si parlerà più di terreni di coltura, ovvio, ma piuttosto di dieta, stile di vita, ambiente familiare in cui si cresce: tutto questo va a sommarsi ai nostri geni, facendo emergere o meno le predisposizioni che ci portiamo dentro, scritte nel DNA. Per gli scettici ho ancora due grafici da mostrare: rappresentano due modelli matematici che gli autori realizzano per tentare di predire l’efficienza di sporulazione. In alto c’è il modello costruito partendo dai soli alleli, più sotto c’è quello realizzato considerando anche l’informazione relativa all’ambiente e al background genetico: mentre nel primo caso il modello non indovina quasi mai, nel secondo è precisissimo. Concludendo: se avete il “gene della stupidità”, studiate. Che è meglio.


Gerke J et al. “Gene-Environment Interactions at Nucleotide Resolution” PLoS Genetics 2010, 6(6): e1001144

 
5 commenti

Pubblicato da su 1 ottobre 2010 in Genetica personale, Medicina, Salute, Scienza

 

Tag: , , , , , , , , , , , ,

 
%d blogger cliccano Mi Piace per questo: