Vi presento il genoma del frumento

scienceWheatGenomePrima di approdare all’azienda dove lavoro attualmente, ho trascorso quattro anni e mezzo presso un centro di ricerca specializzato in genomica vegetale. L’istituto in questione si trova a Fiorenzuola d’Arda, nel piacentino, e fa parte del Consiglio per la Ricerca e la sperimentazione in Agricoltura (C.R.A.), un ente istituito nel 1997 che ha 15 sedi sparse in tutta Italia, ognuna con competenze e obiettivi specifici. A Fiorenzuola si sperimentano nuove varietà di cereali, si studia la resistenza a malattie e, in particolar modo negli ultimi anni, si studiano i genomi delle specie vegetali più interessanti dal punto di vista agronomico. I ricercatori che lavorano nel campo umano possono contare oggi su enormi quantità di informazioni, anche in ambito genomico, ma la situazione è molto diversa per chi lavora con le piante. Basti pensare che a distanza di 14 anni dal sequenziamento del genoma umano, ancora mancano delle sequenze genomiche complete per diverse colture.

ResearchBlogging.orgHo fatto questa lunga premessa perché oggi è stato compiuto un passo importantissimo per la genomica vegetale e per l’agricoltura in genere, e anche io posso vantare un piccolo contributo in questo grande risultato. Sul numero odierno di Science è stata infatti pubblicata la prima bozza del genoma del frumento tenero (Triticum aestivum), per intenderci quello che si usa per fare il pane (pdf). Il frumento tenero è un vero e proprio incubo per chi si occupa di genomica: innanzitutto – a differenza di noi umani che ne abbiamo due – il genoma del frumento ha 6 copie di ciascun cromosoma, eredità di antichi incroci tra tre diverse piante selvatiche; in secondo luogo è pieno di sequenze di DNA ripetute (la percentuale si aggira attorno all’80%), cosa che ha complicato notevolmente e quindi ritardato l’assemblaggio di un’unica sequenza genomica; infine, il genoma del frumento ha delle dimensioni mostruose (17 miliardi di paia di basi, cinque volte il genoma umano). Il consorzio internazionale che si occupa di sequenziare Triticum aestivum ha dovuto seguire una strategia un po’ laboriosa per tentare di superare questi ostacoli: con una apposita tecnica sono stati separati i 21 (7×3) cromosomi che compongono il suo genoma, e ogni cromosoma è stato poi sequenziato e assemblato in modo indipendente. Dopodiché è iniziato il lungo lavoro di annotazione: geni codificanti proteine, elementi ripetuti, microRNA. Ed è qui che entro in gioco io: i microRNA sono stati il mio pane quotidiano per tutto il mio dottorato.

plantmicrornasNon vi tedierò con i dettagli tecnici, vi basti sapere che queste molecole svolgono una importante funzione di regolazione, spegnendo all’occorrenza i ben più famosi geni che codificano proteine. Sappiamo che molti microRNA svolgono una funzione importante in condizioni di stress della pianta, come siccità o infezioni da patogeni, ma è soprattutto per il loro ruolo durante lo sviluppo che sono diventati celebri. Purtroppo i microRNA hanno un aspetto abbastanza anonimo: li riconosci perché si ripiegano a formare una struttura simile a una forcina per capelli, ma ahimé di possibili forcine per capelli se ne trovano a milioni in un genoma. Distinguere un vero microRNA da una sequenza che per puro caso può assumere quella particolare conformazione è insomma un’impresa ardua. Alla fine si è deciso di farci aiutare dai microRNA noti in altre specie: isolare sequenze simili a microRNA già conosciuti è un ottimo punto di partenza quando non sai da dove cominciare. A quel punto abbiamo usato un software basato su un modello probabilistico che, in base alle caratteristiche strutturali della molecola, decide se si tratta di un microRNA oppure no. Così facendo abbiamo selezionato un set di poco meno di 100mila sequenze che avevano le carte in regola per essere potenziali microRNA.

Il frumento tenero sembra avere quindi un enorme arsenale di microRNA, benché sia attualmente poco sfruttato. Dai dati a nostra disposizione infatti, solo una piccola frazione di queste sequenze risulta essere espressa e quindi attiva: la gran parte di esse sembra essere per così dire dormiente, almeno nelle condizioni biologiche che sono state studiate finora. Non escludiamo tuttavia che in particolari situazioni di stress, anche questi microRNA possano “risvegliarsi” e fornire il loro contributo. Ma c’è un altro aspetto che emerge in modo molto forte da questa analisi. I microRNA che abbiamo trovato sono in gran parte sovrapposti ai cosiddetti trasposoni o elementi trasponibili, cioè sequenze di DNA che hanno la capacità di spostarsi o duplicarsi nei genomi. Questo fatto sembra confermare una teoria molto interessante, secondo la quale sono proprio i trasposoni che, con il loro girovagare, hanno consentito l’evoluzione di nuovi microRNA. Ma non è tutto. L’affascinante storia evolutiva del frumento ha lasciato ampie tracce nel suo genoma, descritto con dovizia di particolari nell’articolo appena uscito su Science. Un articolo frutto di anni di lavoro, portato avanti con determinazione dal consorzio internazionale IWGSC.

CRA-GPGCerto il mio è stato un piccolo (ma importante) contributo, tuttavia è comunque piacevole leggere il proprio nome su una delle riviste scientifiche più quotate al mondo. Inoltre, questo articolo servirà a ricordarmi la bellissima esperienza che ho vissuto con i colleghi e amici di Fiorenzuola d’Arda: lavoro e studio, ma anche tante risate in compagnia. Soprattutto mi ricorderà Primetta, una persona davvero fantastica che ho avuto la fortuna di avere al mio fianco mentre compivo i primi passi da giovane ricercatore. Sarei felice di festeggiare con tutti loro questa pubblicazione su Science, magari davanti a un piatto di chisolini e a un buon bicchiere di Gutturnio.


La vignetta “Plant microRNAs – The birth of the regulators” è una creazione di Pablo Manavella (Conceptual Design) e Nicolas Cinquegrani (Artwork).


Mayer, K., Rogers, J., Dole el, J., Pozniak, C., Eversole, K., Feuillet, C., Gill, B., Friebe, B., Lukaszewski, A., Sourdille, P., Endo, T., Kubalakova, M.,  ihalikova, J., Dubska, Z., Vrana, J.,  perkova, R.,  imkova, H., Febrer, M., Clissold, L., McLay, K., Singh, K., Chhuneja, P., Singh, N., Khurana, J., Akhunov, E., Choulet, F., Alberti, A., Barbe, V., Wincker, P., Kanamori, H., Kobayashi, F., Itoh, T., Matsumoto, T., Sakai, H., Tanaka, T., Wu, J., Ogihara, Y., Handa, H., Maclachlan, P., Sharpe, A., Klassen, D., Edwards, D., Batley, J., Olsen, O., Sandve, S., Lien, S., Steuernagel, B., Wulff, B., Caccamo, M., Ayling, S., Ramirez-Gonzalez, R., Clavijo, B., Wright, J., Pfeifer, M., Spannagl, M., Martis, M., Mascher, M., Chapman, J., Poland, J., Scholz, U., Barry, K., Waugh, R., Rokhsar, D., Muehlbauer, G., Stein, N., Gundlach, H., Zytnicki, M., Jamilloux, V., Quesneville, H., Wicker, T., Faccioli, P., Colaiacovo, M., Stanca, A., Budak, H., Cattivelli, L., Glover, N., Pingault, L., Paux, E., Sharma, S., Appels, R., Bellgard, M., Chapman, B., Nussbaumer, T., Bader, K., Rimbert, H., Wang, S., Knox, R., Kilian, A., Alaux, M., Alfama, F., Couderc, L., Guilhot, N., Viseux, C., Loaec, M., Keller, B., & Praud, S. (2014). A chromosome-based draft sequence of the hexaploid bread wheat (Triticum aestivum) genome Science, 345 (6194), 1251788-1251788 DOI: 10.1126/science.1251788

GenoMIX #15 – Luglio 2011

Anche se la macchina del sequenziamento genomico è ormai in attività da diversi anni, sorprendentemente esistono ancora specie il cui genoma non è ancora stato decodificato. E ogni mese ne leggiamo di nuovi. Luglio ha visto il sequenziamento di tre nuovi genomi, tutti importanti, seppur per diversi motivi. Il primo è quello della patata (Solanum tuberosum), una pianta fondamentale per la nostra alimentazione: la sequenza genomica servirà a selezionare varietà maggiormente resistenti alle malattie. Il secondo genoma è quello di un animale bizzarro, incredibilmente longevo e resistente ai tumori: l’eterocefalo glabro (Heterocephalus glaber). Il terzo genoma appartiene invece a una specie che in un certo senso si trova a metà strada tra il regno vegetale e quello animale: è un animale a tutti gli effetti, ma il corallo è stato per lungo tempo considerato un vegetale. La sequenza di Acropora digitifera appena pubblicata servirà a studiare meglio questo abitante degli oceani, che è una specie di cartina al tornasole del riscaldamento globale.

Parlando invece di genomica umana, giusto una settimana la biostatistica italiana Paola Sebastiani e il suo gruppo di lavoro hanno ritirato l’articolo sui geni dei centenari pubblicato l’estate scorsa su Science. Il paper aveva sollevato dubbi e perplessità in merito alla solidità della metodologia utilizzata, e con questa ammissione gli autori danno ufficialmente ragione ai critici. Da una non-scoperta a una vera scoperta: un gruppo internazionale di scienziati ha identificato la mutazione genetica responsabile della sindrome di Proteo, malattia rarissima che colpì Joseph Merrick, noto come “The Elephant Man”.

Rientra nella lotta alla malattie rare la decisione del Parlamento tedesco di consentire la selezione pre-impianto degli embrioni nelle fecondazioni in vitro. Con questa scelta, la Germania si allinea con il resto d’Europa, dove la selezione embrionale per precise malattie genetiche è permessa (quando in Italia?). Infine, nuovo passo avanti per la biologia sintetica: alcuni scienziati si sono divertiti a “correggere” il genoma del batterio Escherichia coli, rimuovendo una particolare tripletta di DNA e sostituendola con un’altra dalla funzione equivalente.

Ricordate i geni dei centenari? Ecco, dimenticateli

Un anno fa su Science uscì un articolo importante, di quelli che conquistano le prime pagine dei giornali. In quell’articolo la biostatistica Paola Sebastiani e colleghi avevano dimostrato di poter predire se una persona avrebbe raggiunto o meno i cento anni di età, basandosi su 150 varianti genetiche nel DNA. A quel risultato ci erano arrivati mettendo a confronto i genomi di circa 1000 centenari e quelli di un altrettanto numeroso gruppo di controllo: dall’analisi era emerso un modello matematico in grado di prevedere con un’accuratezza del 77% se i partecipanti avevano spento o meno le cento candeline.

Il lavoro però non era esente da errori, fatti notare immediatamente da una serie di contestatori. La critica principale riguardava il metodo di analisi del DNA utilizzato: i due gruppi di individui (centenari e controlli) erano infatti stati genotipizzati utilizzando due diversi chip, cosa che avrebbe potuto generare degli artefatti nei risultati. Si era alzato un tale polverone che nel mese di Novembre gli stessi autori comunicarono a Science le proprie intenzioni di ricontrollare tutta l’analisi. Oggi, a più di un anno di distanza, Paola Sebastiani e soci hanno deciso di fare marcia indietro e ritirare l’articolo. Nella lettera pubblicata sull’ultimo numero di Science gli autori scrivono:

Dopo la pubblicazione online del nostro report “Genetic signatures of exceptional longevity in humans” abbiamo scoperto che errori tecnici nell’array Illumina 610 e un inadeguato protocollo per il controllo qualità avevano introdotto dei falsi positivi nei nostri risultati. Un laboratorio indpendente ha quindi praticato un controllo qualità molto stringente, e gli SNP ambigui sono stati rimossi; i dati risultanti sono stati validati utilizzando una piattaforma indipendente. Abbiamo quindi rianalizzato il dataset ridotto usando la stessa metodologia proposta nell’articolo. Crediamo che i risultati principali siano ancora supportati dai dati disponibili: 1) Un modello composto da molti SNP è in grado di distinguere accuratamente centenari e controlli; 2) I profili trovati sono raggruppabili in particolari firme genetiche; 3) queste firme sono associate all’età di insorgenza di malattie legate alla vecchiaia e ai soggetti più anziani. Tuttavia, poiché gli specifici dettagli della nuova analisi sono cambiati in modo sostanziale rispetto a quelli pubblicati in origine, ritiriamo il manoscritto originale e puntiamo a una nuova pubblicazione con i nuovi risultati.

Insomma, avevano ragione i critici: i metodi utilizzati nel lavoro presentavano dei problemi, e ovviamente i risultati finali ne hanno risentito. Ora non ci resta che aspettare la pubblicazione del nuovo articolo con i dati corretti. Non credo però che lo leggeremo su Science: forse la rivista più famosa del mondo inizia a essere stanca di prendere cantonate. I batteri mangia-arsenico vi dicono qualcosa?

Altri link:

Accelerare la ricerca: come fare?

Ho avuto un’interessante discussione con un mio lettore in questi giorni. Il tutto è iniziato quando ho pubblicato un post un po’ sarcastico e irriverente a proposito di un articolo apparso su Science, in cui si ipotizza che nell’uomo avvengano frequentemente degli eventi di RNA editing, cioè delle alterazioni a carico degli RNA messaggeri che li rendono quindi diversi dalla regione di DNA da cui si sono originati. L’articolo è stato criticato da molti: in particolare, Joe Pickrell su Genomes Unzipped ha spiegato che la metodologia utilizzata nello studio non era sufficientemente solida per supportare le conclusioni degli autori. Io ho semplicemente constatato questa cosa, facendo notare che è già la terza volta nel giro di pochi mesi che Science viene criticata pesantemente per un articolo pubblicato.

Il lettore con cui mi sono confrontato è Alberto, uno dei miei “fedelissimi”. Secondo lui, è ingiusto criticare Science per avere pubblicato questo lavoro, pur parziale e incompleto, per un semplice motivo: i responsabili della rivista hanno sentito il dovere morale di accelerare la ricerca in questo settore, dando visibilità a una scoperta potenzialmente rivoluzionaria. Non importa quindi che non si abbia ancora la conferma definitiva di quel risultato, l’importante era metterlo sotto gli occhi di tutti, annunciare al mondo che poteva esistere un meccanismo che fino ad ora ci era sfuggito. Toccherà agli altri ricercatori lavorare per dimostrare o eventualmente confutare quella scoperta. Questo, in sintesi, il pensiero di Alberto.

Io ho risposto dicendo che è buona cosa accelerare la ricerca, ma è altrettanto importante che i risultati di un lavoro scientifico siano il più solidi possibile. Il team di Science avrebbe dovuto chiedere agli autori di fare un semplice controllo: verificare con una veloce analisi bioinformatica che le sequenze “alternative” non provenissero per caso da altre regioni genomiche, anziché essere state oggetto di RNA editing. Certo, non sarebbe stata un’analisi conclusiva comunque, perché poi si sarebbe dovuto dimostrare quali delle regioni trovate fossero effettivamente trascritte, ma ad ogni modo era un controllo doveroso che avrebbe dato uno spessore molto diverso ai risultati.

La discussione è poi slittata sul mondo della ricerca in generale, e sulla diffusione e condivisione delle nuove scoperte. Peppe Liberti di Rangle sarebbe sicuramente più adatto di me a parlare di questo argomento, ma voglio comunque dire la mia. Io credo che velocizzare la ricerca sia fondamentale: è inaccettabile che nel mondo di Facebook, Twitter e di tutti gli altri socialcosi, i ricercatori siano rimasti bloccati al pachidermico sistema della peer-review old-style. La revisione tra pari è (o dovrebbe essere) garanzia di qualità per gli articoli pubblicati, ma la lentezza con cui si arriva alla pubblicazione, e soprattutto il fatto che molte riviste non sono ad accesso libero, di fatto riduce drasticamente la condivisione delle informazioni, e quindi il loro potenziale utilizzo per ricerche future. L’open-access è un grande passo avanti in questo senso, soprattutto quello delle riviste PLoS, dove i lettori possono lasciare i loro commenti direttamente sugli articoli pubblicati. In questo caso, il problema è – se vogliamo – di una eccessiva libertà di parola, dal momento che chiunque potrebbe scrivere le peggiori sciocchezze. Due strategie diverse, due differenti scuole di pensiero: la prima dovrebbe garantire la qualità a discapito della lentezza, la seconda promette velocità di diffusione senza fare troppo filtro sulla qualità.

Ecco perché io mi oppongo a una revisione all’acqua di rose da parte di Science: questa rivista fa parte della prima scuola di pensiero, ed è una delle migliori riviste al mondo. Il suo compito è pubblicare risultati forti e solidi, e se gli editor chiudono un occhio sulla robustezza dei risultati, allora viene meno l’unica cosa che possono offrire. A questo punto, meglio pubblicare su PLoS e lasciare che il Joe Pickrell di turno faccia immediatamente le sue rimostranze. Altrimenti cosa succede? Succede quello che è successo per l’articolo sul DNA ad arsenico, pubblicato a Dicembre prima di essere attaccato su tutti i fronti da decine di ricercatori. Anche in quell’occasione le critiche partirono da un blog, e soltanto oggi, dopo 6 mesi, Science le ha raccolte e pubblicate ufficialmente, conferendo loro un’aura di scientificità che evidentemente prima non avevano. E’ possibile, nell’era di internet, aspettare 6 mesi prima di conoscere l’opinione della comunità scientifica a proposito di un lavoro? Se si vuole accelerare la ricerca, bisogna passare dall’open-access. Oppure, se proprio si vuole restare vincolati al vecchio sistema, quantomeno pretendo che gli editor delle riviste pubblichino soltanto articoli con tutte le carte in regola, senza necessità di revisione post-pubblicazione. Ecco perché non sono d’accordo con il mio lettore Alberto, secondo il quale un risultato va pubblicato anche quando non è molto consistente, solo per portare la questione agli occhi dei ricercatori: questo, in un sistema di pubblicazione goffo e lento come quello della peer-review, non accelera la ricerca, ma al contrario rischia di rallentarla.

RNA editing a go-go: un’altra bufala di Science?

Pochi giorni fa su Science è stato pubblicato un articolo che, se fosse confermato da studi più approfonditi, cambierebbe drasticamente ciò che sappiamo sul flusso di informazione che avviene all’interno delle nostre cellule. Il dogma centrale della biologia ci dice che l’informazione contenuta nel DNA viene trasferita all’RNA messaggero e da questo alle proteine. Si dava per scontato che tale informazione rimanesse il più possibile intatta in questi passaggi, eccezion fatta per gli errori commessi dai nostri enzimi. Un gruppo di ricerca delle Università della Pennsylvania e del North Carolina avrebbe invece scoperto che nel primo passaggio, quello che va dal DNA all’RNA, avvengono modifiche ben più frequenti di quanto si pensasse in precedenza.

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Analizzando le molecole di RNA e il DNA di 27 individui, i ricercatori hanno scoperto 10mila punti del genoma dove la sequenza trascritta nell’RNA non corrispondeva perfettamente a quanto codificato nel DNA. Secondo gli autori si tratterebbe di eventi di RNA editing, cioè un meccanismo secondo cui la sequenza dell’RNA messaggero viene alterata, ad esempio sostituendo una citosina (C) con un uracile (U). Nel lavoro si legge che in questi punti particolari, chiamati RDD (RNA-DNA Differences), l’80% dei trascritti era una copia perfetta della sequenza genomica, ma il restante 20% era discordante. In base ai dati, qualsiasi base azotata può “trasformarsi” in qualsiasi altra base, un risultato sorprendente dal momento che fino ad ora si credeva che con l’RNA editing si potessero ottenere solo alcune sostituzioni (C -> U, A -> I). A quanto pare, gli RDD non sono errori casuali, perché ognuno di essi si riscontra in almeno due indivui, e l’80% è presente nella metà dei campioni. Ma è possibile che un fenomeno talmente diffuso sia sempre passato inosservato?

Facciamola breve: secondo alcuni esperti, questi risultati non sarebbero affidabili. Joe Pickrell scrive su Genomes Unzipped che i trascritti discordanti potrebbero non provenire dalla stessa regione di DNA, bensì da una posizione diversa caratterizzata da una lettera di differenza. Le sequenze a disposizione dei ricercatori erano lunghe poche decine di basi, e con sequenze così corte è statisticamente probabile trovare delle corrispondenze in più punti del genoma. Se queste regioni genomiche fossero trascritte, potrebbero spiegare perché gli autori hanno trovato due copie leggermente diverse dello stesso RNA. Per maggiori dettagli vi consiglio di leggere direttamente il post di Joe Pickrell, dove la sua tesi viene discussa approfonditamente e supportata anche da esempi pratici.

Non c’è che dire: Science sta perdendo colpi. Prima l’articolo sui geni dei centenari, poi quello sui batteri mangia-arsenico, ora l’RNA editing. Sembra quasi che questa rivista cerchi a tutti i costi la scoperta sensazionale, senza fare i dovuti controlli e le necessarie revisioni sulle pubblicazioni prima di dare l’OK definitivo. D’accordo, editor e referee dovrebbero farle sempre queste cose, ma ancora più attenzione è necessaria quando si parla di cose grosse, quando si legge di DNA a base di arsenico o quando si vuole prendere a picconate un dogma della biologia. Non che i dogmi debbano restare tali per sempre, ma per confutarli servono prove molto solide, prove che in questo caso non c’erano.

Altri link:


Li, M., Wang, I., Li, Y., Bruzel, A., Richards, A., Toung, J., & Cheung, V. (2011). Widespread RNA and DNA Sequence Differences in the Human Transcriptome Science DOI: 10.1126/science.1207018

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’eredità del genoma umano


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In queste settimane le riviste Science e Nature stanno festeggiando un anniversario importante: sono passati infatti dieci anni dalla pubblicazione dei due articoli che annunciavano il sequenziamento del genoma umano. Il 15 Febbraio 2001 Nature pubblicava Initial sequencing and analysis of the human genome a cura del consorzio pubblico Human Genome Project, mentre la stessa settimana Science usciva con i risultati dell’azienda privata Celera Genomics di Craig Venter. Cosa abbiamo imparato nei dieci anni che ci separano da quello storico traguardo scientifico? Ce lo racconta Eric Lander, che fu primo autore nel lavoro pubblicato su Nature. La sua review passa in rassegna tutti i progressi che grazie al genoma sono stati fatti nella ricerca di base, nella medicina e nella comprensione della storia evolutiva della nostra specie. E’ un resoconto completo e dettagliato che vi consiglio caldamente di leggere; per chi non avesse voglia di addentrarsi nella corposa review, tratterò qui i punti salienti.

Ricerca di base

Una volta sequenziato il genoma umano, la prima grande sorpresa fu l’esiguo numero di geni in esso contenuto. Prima del 2000 le stime relative a questo numero oscillavano ampiamente, passando da 35mila a oltre 100mila, mentre oggi sappiamo che i geni codificanti per proteine sono molti meno, circa 21mila. Se da una parte il ruolo delle proteine si è un po’ ridimensionato, dall’altra hanno acquisito sempre maggiore importanza altri elementi funzionali in precedenza sottovalutati. Ad esempio, sappiamo che la maggior parte della porzione funzionale del nostro genoma non codifica per proteine.

Da analisi di genomica comparativa è emerso che il 6% del nostro codice genetico è stato selezionato dall’evoluzione negli ultimi 100 milioni di anni per svolgere una qualche funzione, ma non si tratta solo di proteine, anzi: queste occupano solo l’1.5% del genoma, ed è quindi evidente che siano stati altri elementi quelli davvero importanti per lo sviluppo della nostra specie. Questi misteriosi artefici dell’evoluzione non sono altro che sequenze regolative: i mattoncini di base (le proteine) sono sempre gli stessi, ma è migliorato il modo di organizzarli e metterli insieme. Gli RNA non codificanti, ad esempio, derivano da tratti del genoma che non sono destinati a diventare proteine, eppure riescono a plasmare le nostre cellule agendo sui livelli di espressione proteica.

Tra di essi gli esponenti più famosi sono i microRNA, piccole sequenze che spengono gli RNA messaggeri, cioè le molecole che trasformano l’informazione contenuta nel DNA in proteine. In questi anni sono state individuate circa 100 famiglie di microRNA evolutivamente conservate, e si calcola che in media un solo microRNA possa controllare l’espressione di circa 200 proteine. Le alterazioni epigenetiche sono un altro modo per decidere quali geni accendere e quali spegnere: si tratta di modificazioni chimiche che rendono una regione genomica più o meno attiva, e stanno diventando sempre più importanti agli occhi dei ricercatori. Un ulteriore livello di complessità scoperto recentemente è dato dalle interazioni tra geni fisicamente lontani, interazioni che si verificano perché il genoma, avendo una sua struttura tridimensionale, può mettere a contatto punti diversi dei cromosomi.

Variabilità genomica

Il genoma umano ha una struttura sorprendentemente semplice: è costituito da blocchi (chiamati aplotipi) che contengono le principali varianti genetiche diffuse nelle popolazioni, e sono sufficienti meno di un milione di polimorfismi SNP per catturare il 90% della variabilità esistente in natura. Le varianti con frequenza maggiore del 5% (le cosiddette varianti comuni) sono state scoperte quasi tutte ormai, e adesso non resta che andare più in profondità per portare alla luce anche le varianti più o meno rare: è lo scopo del progetto 1000 Genomi.

Medicina

Quando fu lanciato il progetto per sequenziare il genoma umano, si conoscevano meno di 100 geni legati alle malattie; oggi abbiamo individuato più di 2850 geni relativi a malattie di tipo mendeliano, che cioè dipendono dal malfunzionamento di un singolo gene. Avere la possibilità di leggere un intero genoma diventa sempre più fondamentale anche per la pratica clinica: per identificare le cause genetiche di malattie rare particolarmente ostiche da diagnosticare, molti medici iniziano a scegliere la strada del sequenziamento genomico.

Lasciamo le malattie rare per parlare di quelle comuni, che sono tutto un altro capitolo. Non essendo caratteri di tipo mendeliano, esse dipendono dall’interazione di più geni, che insieme a diversi fattori ambientali ci portano ad ammalarci. Prima del sequenziamento del genoma umano, le basi genetiche di moltissime di queste malattie erano totalmente sconosciute. Oggi invece siamo a conoscenza di 1100 posizioni nel genoma (o loci genomici) che in qualche modo sono associate a 165 tra malattie e caratteri non patologici, e quasi tutte queste informazioni le abbiamo ottenute dal 2007 in poi, quando cioè si è iniziato a fare un uso massiccio degli studi di associazione genome-wide (GWAS). Ad esempio sono noti 41 loci legati al diabete di tipo I, 95 loci associati ai livelli di colesterolo e ben 180 loci responsabili dell’altezza di un individuo.

In generale, si è capito che la maggior parte dei tratti sono influenzati da un grande numero di loci, e che la maggior parte delle varianti comuni presenti in queste posizioni chiave hanno un effetto modesto (alzano il rischio di ammalarsi del 10-50%, proprio come molti fattori ambientali). Per riuscire a determinare tutte le basi genetiche di questi tratti complessi, è ora necessario investigare le varianti rare, le interazioni tra geni e le interazioni tra geni e ambiente. Molti hanno criticato i GWAS perché non sono riusciti a far emergere tutte le cause genetiche delle malattie comuni, e quindi non è ancora possibile fare predizioni efficaci sul rischio di ammalarsi. Tuttavia, Eric Lander ricorda che lo scopo primario dei GWAS non è questo, bensì svelare i meccanismi cellulari responsabili delle malattie: è attraverso la conoscenza anche parziale di questi meccanismi che sarà possibile mettere a punto delle cure efficaci.

Il sequenziamento del genoma è stato un passo fondamentale anche per la ricerca sul cancro. Prima del 2000, erano stati scoperti circa 80 geni coinvolti nei processi tumorali; oggi siamo arrivati a 230, a testimonianza di una conoscenza del fenomeno notevolmente migliorata. Subito dopo il sequenziamento del genoma umano sono state individuate mutazioni in geni chiave nel melanoma, nel tumore del colon-retto e nel cancro ai polmoni. Sono stati poi scoperti geni amplificati nelle cellule tumorali, così come geni sottoespressi o traslocati dalle loro posizioni originarie sul genoma. Oggi, sapere quali geni sono sovra o sottoespressi rispetto alla norma può aiutare a capire, ad esempio, quali pazienti con tumore al seno trarranno maggior beneficio dalla chemioterapia in seguito all’intervento chirurgico.

Storia dell’uomo

Le nostre conoscenze sulla storia evolutiva di Homo sapiens sono cambiate drasticamente dal 2000 a oggi. La nostra migrazione dall’Africa si inserisce in un quadro molto più ricco e complesso di quanto si credesse una volta, basti pensare che oggi crediamo che Europei e Asiatici moderni abbiano ereditato dall’1 al 4% del proprio genoma dagli uomini di Neanderthal. Il progetto HapMap , che studia la variabilità genetica nelle popolazioni umane, ci ha permesso di seguire la colonizzazione del mondo da parte della nostra specie, così come di evidenziare gli stratagemmi genetici utilizzati dalle diverse popolazioni per adattarsi a climi e ambienti differenti: si tratta soprattutto di geni coinvolti nella pigmentazione della pelle, nella risposta ad agenti infettivi e nella percezione sensoriale. Casi di selezione positiva più antica possono invece spiegare cosa ci ha permesso di evolverci dalle scimmie e diventare quello che siamo: sono le cosiddette human accelerated regions (HARs), cioè quelle regioni del genoma che sono mutate molto più velocemente da quando ci siamo separati dagli scimpanzé, rispetto ai precedenti 100 milioni di anni. HAR1 è una di queste, ed è coinvolta nella crescita delle dimensioni del nostro cervello; HAR2 potrebbe averci regalato il pollice opponibile; FOXP2, invece, potrebbe essere legato allo sviluppo del linguaggio.

Sembra assurdo che 25 anni fa i biologi si domandassero quale potesse essere l’utilità di sequenziare il genoma umano; oggi, al contrario, non riusciamo a immaginare come si potesse fare ricerca senza questa preziosissima conoscenza. Grazie ad essa abbiamo risposto a tante domande sulla nostra storia, sulle cause delle nostre malattie e più in generale su come funzioniamo. Tuttavia, la strada da percorrere è ancora lunga, perché se c’è una lezione che abbiamo imparato e su cui tutti i ricercatori sono d’accordo è proprio questa: che il nostro genoma resta ancora un grande mistero, un mistero che nasconde moltissimi segreti in attesa di essere svelati.


Lander, E. (2011). Initial impact of the sequencing of the human genome Nature, 470 (7333), 187-197 DOI: 10.1038/nature09792

Fonte: M. Colaiacovo – estropico.blogspot.com

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