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Sono stati pubblicati i risultati del progetto ENCODE: da oggi il genoma umano ha meno segreti!

Se siete interessati alla genomica come lo sono io, sarete già al corrente della grande notizia di qualche giorno fa: sono usciti i risultati del progetto ENCODE, che si poneva l’ambizioso obiettivo di catalogare tutti gli elementi del nostro genoma. Lo dice il nome stesso: ENCODE, infatti, sta per ENCyclopedia Of Dna Elements. Si tratta di un lavoro enorme che si è meritato uno speciale su Nature, corredato da una serie di link a pubblicazioni legate al progetto (esiste pure un’app per iPad). Purtroppo non ho ancora avuto il tempo di leggere gli articoli originali (è un periodaccio!), ma non escludo di scriverci un post nelle prossime settimane. Nell’attesa, date un’occhiata al blog di Ed Yong oppure – se l’inglese non è il vostro forte – al sito di Le Scienze. Se invece vi piacciono i video, eccone un paio sull’argomento (il primo serio, l’altro un po’ meno!).


 
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Pubblicato da su 11 settembre 2012 in Scienza

 

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Il DNA altruista: salamandre, gigli e retrotrasposoni

Questo post partecipa al Carnevale della Biodiversità ospitato per questa terza edizione dal blog Mahengechromis di Livio Leoni, dove potete trovare tutti gli altri interessanti contributi della blogosfera scientifica italiana per questa bella iniziativa.

Devo ammetterlo, quando ho letto il tema di questo Carnevale della Biodiversità (“Le dimensioni contano”), non ho potuto fare a meno di pensare a quello che hanno pensato tutti. Mi sono chiesto: chissà se qualcuno ha mai cercato le basi genetiche di quella dimensione là che tanto interessa agli uomini (alle donne ancora non si sa)! Non ho trovato nulla e ho desistito, anche se la mappa che ha iniziato a circolare in rete pochi giorni dopo sembrava fatta apposta per stimolare un post sull’argomento.

Alla fine ho scelto di ripiegare su qualcosa di meno eccitante forse, ma secondo me altrettanto affascinante. Ha a che fare con la biodiversità, ma non nel senso classico del termine: quando pensiamo a questa parola, ci vengono in mente le “infinite forme bellissime” che possono assumere le specie viventi, forme che quasi sempre riusciamo a spiegare con le regole dell’evoluzione. E’ molto più difficile spiegare il tipo di biodiversità di cui parlerò in questo post: la dimensione del genoma.

I genomi degli organismi viventi hanno dimensioni che differiscono di parecchi ordini di grandezza, senza che esista una ragione apparente. Per decenni gli scienziati si sono fatti venire il mal di testa, impegnati nell’ossessiva ricerca di una spiegazione plausibile che potesse rendere conto di questa incredibile variabilità. Un tempo si pensava che i genomi grandi fossero tipici delle specie più complesse: se immaginiamo il genoma come il manuale di istruzioni per costruire un organismo vivente, ci si aspetterebbe che organismi più complicati richiedano manuali più voluminosi. In natura, però, le cose non vanno affatto così: ad esempio, per quale motivo la salamandra americana Necturus lewisi dovrebbe avere un genoma 40 volte più grande di quello umano? Che cosa se ne fa il piccolo fiore giapponese Paris japonica di un genoma di 150 miliardi di paia di basi? Noi, con i nostri 3 miliardi, riusciamo a condurre comunque una vita dignitosa: che bisogno c’è di tutto quel DNA? Per non parlare dell’ameba Polychaos dubium, un organismo unicellulare che si porta dietro un genoma di 670 miliardi di paia di basi*: tutto possiamo dire, fuorché che un’ameba sia un organismo complesso. Nella tabella seguente ho riportato, per vari gruppi tassonomici, la specie con il genoma più piccolo e quella con il genoma più grande. I dati derivano principalmente dalle tre banche dati specializzate sull’argomento (trovate i link a fondo pagina).

Come potete vedere, le differenze sono enormi non solo tra gruppi diversi, ma persino all’interno dello stesso gruppo. Tutto sommato i mammiferi sono abbastanza prevedibili: tra il pipistrello miniottero Miniopterus schreibersi e il ratto argentino Tympanoctomys barrerae c’è una differenza di 5 volte. Lo stesso si può dire per i rettili e per gli uccelli, ma date un’occhiata agli anfibi: il genoma della rana australiana Limnodynastes ornatus è 127 volte più piccolo della già menzionata salamandra Necturus lewisii. Per non parlare dei pesci, dove il Protopterus aethiopicus supera il pesce palla Tetraodon nigroviridis di 380 lunghezze. E le cose non cambiano di molto negli invertebrati e nelle piante. Ma allora la domanda ritorna: perché il genoma di alcune specie è piccolissimo, e quello di altre invece fa spavento? C’è una ragione evolutiva alla base di tutta questa variabilità? In parole semplici: le dimensioni contano?

Visto che la dimensione di un genoma non è correlata alla complessità dell’organismo che lo possiede (è il famoso paradosso del C-value), la spiegazione deve essere un’altra. Sempre che questa spiegazione ci sia. Prima di parlarvi della teoria del DNA altruista, però, vediamo di capire in che modi un genoma può cambiare la sua dimensione. Il primo “trucco” che una specie può adottare per ingrandire il proprio genoma è la poliploidizzazione. Dietro questo termine quasi impronunciabile si nasconde un meccanismo molto semplice: si tratta sostanzialmente di un grande copia-incolla in cui il genoma intero viene raddoppiato, triplicato e così via. Può succedere persino che il genoma venga “rubato” a un’altra specie: è accaduto, ad esempio, al frumento tenero Triticum aestivum che si usa per fare il pane. Inizialmente si sono uniti i genomi di due specie selvatiche diploidi (Aegilops speltoides e Triticum urartu): questo ibrido tetraploide sarebbe poi diventato il grano duro Triticum durum che usiamo per fare la pasta; successivamente, una sottospecie di grano duro ha accolto il genoma di un’altra pianta selvatica (Aegilops tauschii), diventando così il frumento tenero esaploide (con sei copie di ogni cromosoma) che oggi conosciamo. Le piante sono delle maestre nell’arte della poliploidizzazione: si stima che il 50-70% delle angiosperme sia poliploide: oltre al già citato frumento, ci sono le patate tetraploidi, il kiwi esaploide e moltissime altre. Tra gli animali la poliploidia è frequente in pesci e anfibi, mentre è rara in altri gruppi. Altri modi per cambiare le dimensioni di un genoma sono le duplicazioni segmentali di sequenze ripetute, le duplicazioni geniche e l’attività dei retrotrasposoni LTR. Questi ultimi sono elementi in grado di copiare se stessi spostandosi in altri punti del genoma, e possono creare decine di copie nell’arco di una sola generazione: i retrotrasposoni LTR occupano quasi il 10% del genoma umano, mentre nel genoma del mais sono riusciti addirittura a raddoppiarne le dimensioni, nel corso degli ultimi milioni di anni.

ResearchBlogging.org

Il punto cruciale di tutta la questione, comunque, è che i genomi molto grandi non sono grandi perché hanno moltissimi geni, ma perché hanno quantità esorbitanti di DNA non codificante. Dietro la nostra domanda di partenza se ne nasconde dunque un’altra: serve a qualcosa il DNA che non codifica per proteine? E se la risposta è sì, a cosa serve di preciso? Gli scienziati russi Patrushev e Minkevich sono convinti che una funzione ci sia. Il loro modello, soprannominato del “DNA altruista”, sviluppa e perfeziona una teoria che era già nell’aria dagli anni 70: il DNA non codificante serve a proteggere le regioni codificanti dalle mutazioni. Le cellule sono sottoposte costantemente a radicali liberi che si formano normalmente in seguito alle reazioni chimiche: tra questi ci sono le specie reattive dell’ossigeno (ROS), che penetrando nel nucleo possono danneggiare il DNA. Negli organismi aerobici, durante la respirazione, circa il 5% dell’ossigeno molecolare si trasforma in ROS (come lo ione superossido o il perossido di idrogeno), molecole pericolose che le cellule cercano di tamponare ad esempio con gli antiossidanti (varie vitamine) o enzimi specifici (superossido dismutasi). Quando però questi sistemi falliscono, i ROS arrivano al DNA e provocano mutazioni: si stima che nelle nostre cellule ne avvengano ogni giorno circa 20mila. Non tutto è perduto però: esistono dei meccanismi preposti alla riparazione del DNA, che cercano per quanto possibile di rimettere a posto le cose. Se però per qualche ragione gli agenti mutageni sono veramente troppi, ecco che scatta il terzo meccanismo di difesa, quello proposto da Patrushev e Minkevich.

In momenti così gravi, scatta l’allarme ROS. La cellula percepisce che il suo prezioso manuale di istruzioni è in pericolo, e lancia un ultimo, disperato comando: “Moltiplicatevi!”, ordina ai retrotrasposoni LTR. Questi ultimi si risvegliano dal loro sonno e iniziano a copiarsi e incollarsi qua e là sui cromosomi, col risultato finale di aumentare la quantità di DNA non codificante e quindi le dimensioni complessive del genoma. Con questa strategia, si riescono a ridurre le mutazioni nelle regioni codificanti (quelle più preziose), per un banale discorso statistico. Il DNA non-codificante sarebbe perciò un DNA altruista che sacrifica se stesso, esponendosi alle mutazioni al posto dei geni codificanti. Tutto quello che serve alla cellula è una specie di sensore molecolare che segnali la situazione di emergenza e risvegli i trasposoni dal loro torpore. Quale meccanismo possa svolgere la funzione di sensore ancora non si sa.

Le teorie sul DNA non codificante resteranno tali finché qualcuno non sarà riuscito a dimostrarne una. Tuttavia, quella del DNA altruista trova conforto in almeno un paio di esempi. La pianta Arabidopsis thaliana ha un genoma molto piccolo (125 milioni di paia di basi): se la teoria degli scienziati russi è vera, queste ridotte dimensioni sono la dimostrazione di un passato evolutivo relativamente tranquillo, senza molti “allarmi ROS”. In effetti, in questa pianta, i geni preposti alla riparazione del DNA sono presenti in un maggior numero di copie, il che suggerisce un sistema di riparazione molto efficiente: questa pianta non ha avuto bisogno di infarcire il suo genoma di DNA non codificante, perché le sono bastate le prime due armi di difesa, cioè la neutralizzazione dei radicali e la riparazione del DNA. L’esempio opposto è quello delle salamandre, caratterizzate da un genoma molto grande: l’enzima fotoliasi che ripara il DNA danneggiato da radiazioni ultraviolette è meno efficiente in questa specie di quanto non lo sia in altri anfibi dal genoma più piccolo, come rane e rospi. Nel corso dell’evoluzione, un genoma può andare incontro a diversi destini. Se è necessario arginare i ROS e mettere al riparo i geni codificanti, esso si ingrandirà mobilizzando i trasposoni. Se invece i mutageni diminuiscono, o se gli enzimi che riparano il DNA diventano più efficienti, ecco che il DNA non codificante può essere abbandonato, perché divenuto ormai un peso inutile. E così il genoma si rimpicciolisce.

Tornando alla nostra domanda iniziale: le dimensioni di un genoma contano, eccome se contano. Sono un’altra variabile del sistema, un’altra arma evolutiva in possesso degli esseri viventi. Proteggere dalle mutazioni può sembrarvi una funzione un po’ noiosa, ma si tratta in realtà di un compito fondamentale. Sapevate che il genoma del giglio è costituito per il 95% da trasposoni? Chissà, magari senza il DNA non codificante questa specie non sarebbe più tra noi, disintegrata sotto una montagna di radicali liberi. Ecco, fate una cosa: d’ora in poi, quando vedete un giglio, rivolgete un pensiero al DNA non codificante. Gli altruisti non li ringrazia mai nessuno! Sugli egoisti, invece, ci scrivono persino i libri.

* Le dimensioni del genoma di P. dubium sono state messe in discussione dalla comunità scientifica, in quanto calcolate negli anni Sessanta con metodi biochimici che oggi non sono considerati affidabili.

Altri link:

Image credit: OpenCage, amitkotwal


Patrushev, L., & Minkevich, I. (2009). The problem of the eukaryotic genome size Biochemistry (Moscow), 73 (13), 1519-1552 DOI: 10.1134/S0006297908130117

 
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Pubblicato da su 12 aprile 2011 in Scienza

 

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…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

 
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Pubblicato da su 5 ottobre 2010 in Scienza

 

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Pseudogeni nuova arma contro i tumori? La scoperta di uno scienziato italiano

In occasione del decennale del sequenziamento del genoma umano, alcuni commentatori avevano criticato aspramente i risultati ottenuti a distanza di dieci anni da quello storico giorno. Ergendosi a difesa del lavoro svolto, alcuni ricercatori hanno utilizzato il termine “complessità”: se le aspettative del 2000 sono state deluse è soprattutto perché la biologia del nostro organismo si è rivelata molto più complicata di quanto ci si poteva aspettare. Benché possa suonare come una giustificazione, questa è in ultima analisi la realtà dei fatti, e la scoperta sugli pseudogeni pubblicata sull’ultimo numero di Nature ne è una chiarissima dimostrazione.

Nel genoma umano esistono infatti tantissimi elementi oltre ai famosi 20mila geni, elementi che la comunità scientifica ha a lungo trascurato, ma che potrebbero svolgere importanti funzioni all’interno delle nostre cellule, come dimostra lo studio pubblicato dal gruppo dello scienziato italiano Pier Paolo Pandolfi. Gli pseudogeni sono uno di questi elementi misteriosi, facenti parte del famoso DNA spazzatura dai più ingiustamente trascurato e disprezzato. Sono molto simili ai geni, ma al contrario di questi ultimi non possono essere convertiti in proteine funzionanti: producono ad esempio proteine tronche o costituite da aminoacidi sbagliati. La ricerca realizzata da Pandolfi ha permesso di confermare quanto era già stato sospettato negli ultimi anni: gli pseudogeni svolgono una funzione regolativa all’interno delle cellule, influiscono cioè sull’espressione dei geni funzionali, quelli capaci di essere tradotti in proteine attive.

Pandolfi è un genetista di Harvard che da anni studia i tumori e si è quindi concentrato su un gene noto per essere coinvolto nella formazione del cancro, il gene PTEN. Nel genoma umano esiste uno pseudogene molto simile a PTEN, chiamato PTENP1, che apparentemente non svolge alcun compito nella cellula, non potendo produrre una proteina funzionale. Ebbene, il ricercatore italiano ha scoperto che quando l’espressione di PTENP1 aumenta, anche la produzione della proteina PTEN aumenta. Quindi è chiaro che una funzione questo pseudogene ce l’ha, eccome.

Ma cosa fa esattamente? Beh qui bisogna chiamare in causa un’altra molecola importante nella regolazione genica, i microRNA: legandosi agli RNA messaggeri (che fungono da intermediari tra i geni e i macchinari biologici che producono le proteine), essi sono in grado di bloccare la sintesi di queste ultime. PTEN è “vittima” di diversi microRNA, la cui azione inibitoria può far scendere la concentrazione della proteina corrispondente sotto il livello di guardia, fino a trasformare una cellula sana in una tumorale. Lo pseudogene PTENP1 viene trascritto in un RNA messaggero che è molto simile a quello di PTEN, tanto che i microRNA lo riconoscono come se fosse il loro vero target e vanno a legarsi ad esso anziché a PTEN. Agendo quindi da esca, PTENP1 permette al messaggero di PTEN di agire indisturbato.

Dunque le proteine non sono gli unici protagonisti delle nostre cellule: ci sono una marea di semplici RNA che, agendo in modo concertato, riescono ad influire pesantemente sui processi biologici trasformando addirittura una cellula sana in una cellula tumorale. E tutto questo senza che vengano tradotti in proteine! Lo pseudogene PTENP1 non è affatto inutile come si pensava, dal momento che è capace di impedire l’insorgenza di un tumore. E chissà quanti altri pseudogeni, sparsi nel cosiddetto DNA spazzatura, possono svolgere funzioni altrettanto importanti. Un bel casino eh? Ecco, questa è quella che i ricercatori chiamano “complessità”.

Poliseno L et al. “A coding-independent function of gene and pseudogene mRNAs regulates tumour biology” Nature 2010, 465: 1033-1038

 
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Pubblicato da su 29 giugno 2010 in Medicina, Salute, Scienza

 

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