GenoMIX #13 – Maggio 2011

Tra le notizie di questo mese, quella per me più importante non è propriamente una notizia, ma piuttosto una ricorrenza. Il 3 Maggio myGenomiX ha infatti festeggiato il suo primo anno di vita. Non avevo mai scritto di scienza prima di questo blog, e devo dire che l’esperienza è stata molto positiva, andando al di là di ogni mia aspettativa. Naturalmente, non ce l’avrei mai fatta da solo: moltissime persone mi hanno aiutato, incoraggiandomi e motivandomi. Trovate tutti i miei ringraziamenti a questo link.

Sempre restando in tema di blog, come ogni mese si è svolta un’edizione del Carnevale della Chimica. Questa volta si parlava di “chimica in cucina”, e poiché il gene della buona cucina non è stato ancora scoperto, ho deciso di partecipare con alcuni articoli di nutrigenetica e nutrigenomica. Ovviamente, vi invito a leggere tutti i contributi inviati da decine e decine di blogger per questo carnevale, che come sempre coinvolge gli autori più brillanti della blogosfera italiana: li trovate tutti sul blog Questione della decisione.

Uno studio pubblicato sul Journal of Human Genetics ha identificato un gene che sembrerebbe determinare in parte il nostro livello di soddisfazione generale verso la vita, una sorta di “gene della felicità”. Il gene suddetto non è nuovo a chi studia la genetica del comportamento: si tratta del recettore per la serotonina (5-HTT), già in precedenza associato ai sintomi depressivi. C’è poi l’interessante scoperta a cui ha partecipato l’italiano Paolo Innocenti, pubblicata sulla rivista Science: secondo la ricerca, condotta sui moscerini della frutta, i geni mitocondriali sarebbero in grado di influire pesantemente sull’espressione dei geni nucleari maschili, a differenza di quelli femminili che invece non ne sarebbero minimamente influenzati. E’ la cosiddetta “maledizione della madre”, conseguenza del fatto che i mitocondri sono ereditati solo per via materna, e si evolvono quindi in modo asimmetrico. Infine – e questa è stata la notizia bomba del mese – sempre Science ha pubblicato uno studio che suggerirebbe la presenza di un’abbondante attività di editing dell’RNA messaggero nelle nostre cellule: se venisse confermata, saremmo di fronte a un nuovo meccanismo di regolazione tutto da scoprire. Per il momento, il lavoro è stato accolto con molto scetticismo e diversi dubbi sulla metodologia utilizzata.

Infine, segnalo a chi non l’avesse ancora letta l’intervista che ho fatto al dott. Filippo Ongaro, medico degli astronauti ed esperto di invecchiamento. Il dott. Ongaro ha presentato il suo ultimo libro sulla nutrigenomica, e ha risposto molto gentilmente alle mie domande sui test genetici, sull’evoluzione della figura del medico e sulla validità di un test genetico per la misurazione dei telomeri, annunciato dall’azienda spagnola Life Length.

Vita, morte e miracoli di un mitocondrio

Piacere, mi chiamo Mitocondrio. Lo so, ho un nome bizzarro, ma d’altra parte tutta la mia vita è stata piuttosto originale. Tanto per cominciare, non ho avuto un’infanzia facile: sono nato durante la cosiddetta catastrofe dell’ossigeno. Non bisogna essere molto evoluti per capire che non era un bel periodo: a quel tempo l’ossigeno era tossico, e per qualche strana ragione la concentrazione di ossigeno nell’atmosfera si era alzata di colpo. Ehi, sto parlando di qualche miliardo di anni fa, perciò se non ricordo qualche particolare perdonatemi. La cosa importante, comunque, è che tutto quell’ossigeno stava diventando un problema serio per tutti. Oh beh, non proprio per tutti. In realtà, io in qualche modo me la sono cavata: a differenza dei miei simili, avevo imparato a usare questo gas per ricavarne energia. I miei amici mi stimavano un sacco per questo, e mi facevano tanti complimenti. Prima di morire intossicati, si intende.

Ad ogni modo, cercavo di respirare tutto quel ben di Dio senza troppi sensi di colpa. Dopotutto ero solo un batterio, e il senso di colpa si è evoluto di recente, mi dicono. Un giorno, in pieno Proterozoico, mi sono imbattuto in una cellula strana. Ho capito subito che era diversa da me: sospetto appartenesse al regno degli Archea, un gruppo di esseri viventi sfigatissimi che non si fila nessuno, e che come tanti altri stavano subendo gli effetti terribili dello stress ossidativo. Caspita, stavo giusto dando un’occhiata, non volevo ficcarmi nei guai! Sta di fatto che sono finito in guai anche molto grossi: quella cellula era enorme, e quando mi ha mangiato ho pensato che non ne sarei uscito vivo. Mi ha salvato il mio superpotere: il cellulone era molto interessato alla mia capacità di utilizzare l’ossigeno, così abbiamo stretto un patto che dura tuttora. Mi ha risparmiato la vita quell’Archea, e in cambio ho deciso di dargli tutta l’energia di cui aveva bisogno. La nostra simbiosi era così felice che presto ci diedero un nuovo nome: ci chiamavano “la cellula eucariote“, che non so bene cosa significhi ma a me piaceva un sacco. Sapete, a volte mi chiedo cosa sarebbe stato della vita sulla Terra se non fossimo nati noi batteri aerobici.

Ma non è mica finita qui! Mi ero appena abituato al drastico cambiamento che me ne è capitata un’altra. A un certo punto, qualcuno si è messo a dire che, se volevamo contare qualcosa nell’evoluzione, noi eucarioti avremmo dovuto iniziare a riprodurci per via sessuata. Cioè, dico, stavamo così bene prima! Perché inventare i maschi e le femmine? Bella mossa davvero: così ogni volta dovevo fare conoscenza con nuovi cromosomi. Ad ogni fecondazione, era tutto diverso! Come si possono instaurare rapporti sociali decenti in un contesto del genere? E così mi sono rotto. Al diavolo la simbiosi, e tutte le belle promesse che ci eravamo fatti. Se volete un consiglio, non fidatevi mai di un Archea.

Quella cosa della riproduzione sessuata proprio non mi andava giù, così ho deciso di fare un po’ di casino. Ho scelto di stare dalla parte delle femmine, e di dichiarare guerra al genere maschile. Sì, d’accordo, anche le cellule maschili hanno i loro mitocondri, che le tengono in vita producendo energia. Ma non volevo mica stroncarli subito, i maschi. La mia strategia era molto più subdola: ho deciso che avrei perfezionato le mie performance solo per compiacere il gentil sesso, e se la mia evoluzione avesse fatto danni alla controparte maschile, poco male. Sono riuscito nel mio intento, direi. Per milioni di anni sono stato ereditato soltanto per via materna, e questo mi ha portato ad evolvermi esclusivamente per far piacere alle cellule femminili. Quando mi trovavo in una cellula maschile, sfruttavo il mio piccolo genoma per farle i dispetti. E se per caso il mio DNA avesse sviluppato una qualche mutazione benefica, nessun problema: l’eventuale cellula figlia non ne avrebbe mai goduto, perché io me ne sarei andato prima della fecondazione. Sissignori, i mitocondri che avete in ciascuna delle vostre cellule derivano tutti da vostra madre, che li ha ereditati dalla vostra nonna materna, e così via. Di madre in madre, per innumerevoli generazioni.

Grazie a questo meccanismo di ereditarietà asimmetrica, la selezione naturale ha potuto agire solamente sui mitocondri che stavano nelle cellule materne, perché quelli maschili non venivano mai trasmessi. E’ stato così che ho raggiunto il mio malefico obiettivo: le mutazioni che ho sviluppato per avvantaggiare le femmine, oggi fanno disastri quando si trovano in una cellula maschile. Ovviamente non sono stupido: metto a soqquadro soltanto i processi biologici tipici dei maschi, come quelli attivi nei testicoli. Ehi, dico sul serio: se provate a scambiare due mitocondri in una cellula maschile, vedrete che sono in grado di modificare l’espressione di oltre mille geni del nucleo. Inutile sottolineare che se fate la stessa cosa in una cellula femminile, non succede praticamente nulla.

Vi chiederete perché ho deciso di raccontarvi questo segreto. E’ molto semplice: mi hanno scoperto. E’ stato un ricercatore italiano, tale Paolo Innocenti, il quale, facendo degli esperimenti con i moscerini della frutta, si è accorto che la maledizione della madre (la chiamano così) esiste per davvero. Da tempo immemore le donne controllano gli uomini, di questo ve ne sarete accorti spero. Beh, ora sapete anche in che modo riescono a farlo: hanno trovato un alleato tanto piccolo quanto tremendo. Uomini, il vostro destino è segnato!

Questa è la versione romanzata di un articolo da poco pubblicato su Science. Se volete saperne di più, Oggi Scienza ne ha parlato qui.


Innocenti, P., Morrow, E., & Dowling, D. (2011). Experimental Evidence Supports a Sex-Specific Selective Sieve in Mitochondrial Genome Evolution Science, 332 (6031), 845-848 DOI: 10.1126/science.1201157

L’evoluzione? Tutta una questione di energia

Sappiamo benissimo che la questione energetica è fondamentale per il mantenimento e lo sviluppo di una società, e proprio in questi mesi in Italia si assiste a un vivace dibattito tra chi vuole il nucleare e chi le energie rinnovabili. Ebbene, Nick Lane e Willian Martin, due ricercatori rispettivamente dell’University College di Londra e dell’Università di Dusseldorf, sono convinti che la produzione di energia sia anche la chiave per capire cosa ha permesso alla vita di evolversi nelle forme che conosciamo ora.

I due scienziati hanno pubblicato sull’ultimo numero di Nature la loro ipotesi, secondo la quale i batteri non hanno potuto svilupparsi in forme di vita complesse proprio perché non avevano abbastanza energia per farlo. Per arrivare a questa conclusione, Lane e Martin hanno fatto dei semplici calcoli basandosi sulle dimensioni dei genomi e sull’energia prodotta dalle cellule, confrontando quello che accade in un organismo procariote (come i batteri) e un eucariote (come animali, piante e funghi).

I risultati, riportati in questa tabella, mostrano che mediamente un procariote è in grado di sviluppare una potenza di 0,03 femtoWatt per ognuno dei suoi geni; al contrario, una cellula eucariote raggiunge in media 57,15 femtoWatt. Osservando queste statistiche, si vede anche che gli eucarioti hanno dimensioni maggiori, possiedono genomi più grandi e un numero di geni molto più elevato. Da dove traggono allora tutta questa energia?

A rendere possibile questo incredibile rifornimento di energia sono i mitocondri, piccoli organelli presenti solo negli eucarioti che si sono specializzati nella sintesi di ATP, la moneta energetica delle cellule. I macchinari molecolari utilizzati dalle cellule per “respirare”, che convertono l’ossigeno e i nutrienti in ATP, si trovano sulla loro membrana, ripiegata molte volte su se stessa al fine di massimizzare l’efficienza. E’ grazie ai mitocondri che gli eucarioti hanno potuto evolversi, differenziandosi nell’infinità di specie viventi che possiamo ammirare oggi. Sintetizzare le proteine costa alla cellula circa il 75% dell’energia che produce, e se non se ne ha a sufficienza è impossibile “mantenere” anche solo pochi geni in più: ecco perché i procarioti possono a malapena arrivare ai seimila geni, mentre gli eucarioti se ne possono permettere fino a 25mila. Inoltre, anche la semplice replicazione del DNA, pur costando meno (2%) è pur sempre una spesa: i poveri batteri riescono a fatica a mantenere genomi lunghi 6 milioni di paia di basi, mentre i più evoluti eucarioti se la cavano egregiamente persino con 11 miliardi di paia di basi.

Dovendo ridurre al minimo il patrimonio genetico da replicare, i procarioti hanno dei genomi estremamente compatti: in un milione di paia di basi di DNA, i batteri ci fanno stare ben 1000 geni, mentre gli eucarioti ne hanno appena 12. Hanno così tanta energia disponibile che mantenere tutto quel “DNA spazzatura” non è un gran sacrificio: anzi, proprio da lì potrebbe nascere qualche nuovo gene utile per far fare alla cellula un salto di qualità. Avere più energia a disposizione consente infatti alla cellula di fare esperimenti, inventandosi nuovi geni e nuove soluzioni molecolari per vincere la lotta per la sopravvivenza.

In quattro miliardi di anni di evoluzione, i procarioti sono rimasti più o meno dove li avevamo lasciati: senza un nucleo, senza organelli specializzati nella produzione di energia e soprattutto senza essere mai stati in grado di diventare pluricellulari. Secondo una recente teoria, proprio quattro miliardi di anni fa avvenne l’evento che permise a un semplice procariote di diventare eucariote: quella fortunata cellula accolse dentro di sé un altro piccolo batterio, e invece di mangiarselo ebbe la brillante idea di addomesticarlo, sfruttandolo per i suoi scopi. Quel piccolo batterio diventò il primo mitocondrio, la centrale energetica che consentì l’enorme salto evolutivo delle forme di vita complessa.

Lane N, Martin W “The energetics of genome complexity” Nature 2010, 467: 929-934