Ritratto di un embrione da giovane – #storiediscienza

ResearchBlogging.orgDISCLAIMER: questo post riporta più o meno fedelmente i risultati descritti nel paper pubblicato alcuni giorni fa su Nature Communications. Shintaro Katayama e Juha Kere esistono veramente, ma il dialogo tra i due è frutto della mia immaginazione. Non so in che rapporti siano, né se il professor Kere sia mai entrato in uno Starbucks. Si può scrivere un racconto di fantasia per parlare di una scoperta scientifica? Consideratelo il mio esperimento letterario.


Le cellule erano state spedite alcune settimane prima dal centro per la fertilità ProCrea di Lugano. Il materiale da sequenziare includeva alcuni ovociti e diversi embrioni ai primi stadi dello sviluppo, ed erano questi ultimi il pezzo forte dell’esperimento: grazie alla generosità di anonimi donatori, i ricercatori del Karolinska Institutet di Stoccolma potevano studiare i cambiamenti nell’espressione genica che avvenivano durante i primissimi istanti dello sviluppo embrionale, all’alba della formazione di una nuova vita. Per farlo occorreva una tecnica di sequenziamento a risoluzione elevatissima, che permettesse di monitorare in modo preciso l’attività di ogni singola cellula. La tecnica in questione esiste, si chiama single-cell sequencing e ha consentito agli scienziati svedesi di scoprire quali geni si accendevano in due momenti particolari: nel passaggio da ovocita a embrione di quattro cellule, e nel passaggio da quest’ultimo a embrione di otto cellule.

Nel suo ufficio di Huddinge, alla periferia di Stoccolma, Shintaro Katayama stava ricontrollando per l’ennesima volta i risultati del sequenziamento. I frammenti di DNA prodotti dal sequenziatore erano stati allineati contro la sequenza standard del genoma umano, e l’attività di ogni singolo gene era stata quantificata sulla base del numero di sequenze ad esso associate. Confrontando l’espressione genica nei diversi momenti dello sviluppo erano emersi dei risultati straordinari, che Shintaro voleva condividere al più presto con il professor Kere. Proprio in quell’istante squillò il telefono.

Juha Kere, classe 1958, aveva la cattedra di genetica molecolare del Karolinska Institutet dal 2001. Laureatosi in medicina nell’84, dopo una breve esperienza negli Stati Uniti era tornato in Scandinavia per fondare e dirigere il Finnish Genome Centre di Helsinki. Autore di oltre 400 pubblicazioni scientifiche, non era esattamente l’ultimo arrivato. Tuttavia, la notizia che stava per comunicargli Katayama avrebbe sorpreso anche lui. Seduto a un tavolo dello Starbucks di Stureplan, il quartiere vip di Stoccolma, il professor Kere aveva appena composto il numero del collega. Era stato via alcuni giorni e sperava che nel frattempo il progetto avesse prodotto qualche risultato.

«Professore buongiorno! – rispose Shintaro con voce squillante – Come è andato il congresso?»
«Poteva andare meglio. Certo qualche talk era interessante, ma niente di particolarmente innovativo. E il cibo era pessimo. Sono felice di essere tornato in Svezia, mi mancavano i nostri smörgårbord!» All’altro capo del telefono, Shintaro rise di gusto. «In ogni caso non ti chiamavo per invitarti a cena – continuò Kere – ma per avere qualche aggiornamento sui nostri embrioni. Ci sono novità?»
«Altroché, prof! Ho terminato le analisi e stavo appunto riguardando i risultati. Abbiamo 32 geni che si accendono nel passaggio da ovocita a embrione di quattro cellule, e 129 geni che si attivano allo stadio di otto cellule.»
Sorseggiando il caffé, Kere aggrottò le sopracciglia. «Mmm.. Mi sembrano pochi. Ricordo un articolo di qualche tempo fa in cui si parlava di quasi 3000 geni! Era di un team cinese, se non sbaglio. Sei sicuro che i calcoli siano giusti?»
«Si fidi di me, prof. – rispose Shintaro – Il nostro metodo di normalizzazione è più corretto. Si adatta meglio agli esperimenti come questo, dove c’è uno sbilanciamento enorme tra i geni che aumentano di espressione e quelli che si disattivano. Non dimentichi i trascritti materni, che nelle prime ore dalla fecondazione devono essere distrutti. Mi conceda una metafora informatica: prima di iniziare a svilupparsi, l’embrione deve formattare il sistema. Se avessimo utilizzato lo stesso metodo di normalizzazione dei cinesi, saremmo stati ingannati dall’enorme numero di geni che si spengono durante questo “reset”.»
Il professore annuì con convinzione, sorseggiando il suo caffè. «Capisco. – rispose – E quindi? Che hanno di interessante questi geni?»
«Beh, diciamo che molti non erano mai stati annotati. – rivelò con soddisfazione Shintaro, certo di aver catturato l’attenzione del suo interlocutore – Di questi sappiamo poco o nulla, ed è proprio questo a renderli interessanti. Non crede? Abbiamo una dozzina di posizioni genomiche che si accendono durante le prime due divisioni cellulari, e non sappiamo a cosa diavolo servano! Ma non è finita qui.»
«Dimmi Shintaro, dimmi!» Il professore addentò un pezzo di muffin al cioccolato.
«Abbiamo scoperto che la maggior parte di questi geni hanno per così dire un interruttore comune. Nelle loro vicinanze troviamo con una certa frequenza la stessa sequenza di DNA: è un pattern ricorrente, e la statistica ci dice che non può essere lì per caso. Professore, è un sito di attacco per gli homeobox! Certo, non stupisce più di tanto, visto che questi fattori di trascrizione sono noti per svolgere funzioni importanti durante lo sviluppo, ma i nostri fattori in particolare sono dei nuovi attori in scena. E soprattutto – qui viene il bello – abbiamo anche scoperto chi ha piazzato quegli interruttori proprio in quelle posizioni.»
«Non tenermi sulle spine, forza!», rispose Kere spazientito.
«Ok, ok. Ecco, ha presente quella cosa che un tempo chiamavamo con una certa supponenza “DNA spazzatura”? Pensavamo che gran parte del genoma umano fosse composto da sequenze inutili, soltanto perché ancora non ne conoscevamo la funzione. D’altra parte, a cosa potevano servire tutte quelle sequenze che si ripetono identiche un po’ ovunque nel nostro DNA? Beh, le confermo che ci sbagliavamo di grosso, come hanno già affermato scienziati più famosi di me. Il pattern ricorrente di cui le parlavo si trova sempre circondato da ripetizioni Alu, le sequenze mobili più abbondanti nel genoma umano.»
«Aspetta! – lo fermò Kere – Mi stai dicendo che quei dannati trasposoni hanno portato i siti di attacco per gli homeobox proprio lì dove servivano?!»
Shintaro sorrise. «Beh, ovviamente non lo hanno fatto di proposito. Ma sì, la teoria è proprio questa: i trasposoni, o “jumping genes” come li chiama qualcuno, hanno creato dei nuovi circuiti di regolazione fondamentali per lo sviluppo embrionale. Di fatto, il DNA spazzatura ha plasmato la nostra evoluzione»
«Accidenti, ma è fantastico! – esclamò Kere – Amico mio, questo risultato finisce dritto dritto su Nature


Töhönen, V., Katayama, S., Vesterlund, L., Jouhilahti, E., Sheikhi, M., Madissoon, E., Filippini-Cattaneo, G., Jaconi, M., Johnsson, A., Bürglin, T., Linnarsson, S., Hovatta, O., & Kere, J. (2015). Novel PRD-like homeodomain transcription factors and retrotransposon elements in early human development Nature Communications, 6 DOI: 10.1038/ncomms9207

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GenoMIX #18 – Ottobre 2011

I genomi più importanti annunciati in questo mese di Ottobre non appartengono a specie del presente, ma arrivano da un lontano passato. Il primo è quello di Oetzi (la Mummia del Similaun), uomo vissuto sulle Alpi 5300 anni fa: benché l’articolo non sia ancora stato pubblicato, gli scienziati di Bolzano che hanno sequenziato questo antico genoma hanno già annunciato il loro straordinario risultato al Bolzano Mummy Congress. Il secondo genoma è un po’ più recente: appartiene alla famigerata Peste Nera, o meglio al ceppo di Yersinia pestis che attorno al 1350 d.C. uccise un terzo della popolazione europea. Degno di nota è anche il genoma del Megavirus, il virus con il genoma più grande finora conosciuto.

Per quanto riguarda la genomica umana, segnalo l’articolo che lancia il premio Archon Genomics X Prize: dal 3 Gennaio al 3 Febbraio 2013, gruppi di ricerca di tutto il mondo si sfideranno per conquistare i 10 milioni di dollari messi in palio. Obiettivo: sequenziare 100 genomi umani in 30 giorni, con un’accuratezza di 1 errore ogni milione di basi, una completezza del 98%, e un costo inferiore a 1000 dollari. Il Premio servirà a dare una nuova spinta (se mai ce ne fosse bisogno) alle tecnologie di sequenziamento.

Infine, una ricerca molto interessante pubblicata su PLoS Medicine dimostra che una dieta ricca in frutta e verdure crude è in grado di ridurre il rischio di malattie cardiovascolari anche in soggetti geneticamente predisposti. Lo studio è importante perché conferma il ruolo fondamentale dell’alimentazione nella prevenzione delle malattie comuni, e dimostra ancora una volta che uno stile di vita corretto può neutralizzare l’effetto negativo di una variante genetica.

Finalmente i rettili: ne sentivamo la mancanza

Sarò onesto: in questo periodo ho un sacco di cose da fare e il tempo che ho a disposizione per scrivere è pochissimo. Difficilmente, insomma, leggerete dei post lunghi e articolati degni di essere pubblicizzati su Research Blogging. Le notizie importanti, però, bisogna darle. E cosa c’è di più importante del sequenziamento del genoma di un rettile? Sì, perché finora questa classe di esseri viventi era ancora priva – chissà perché – di un genoma sequenziato.

Il fortunato rappresentante è l’anolide della Carolina, una lucertola americana che appartiene alla stessa famiglia delle iguane. Il suo genoma è lungo 1,8 miliardi di basi, suddivise in 18 cromosomi (di cui 12 microcromosomi). Le analisi bioinformatiche hanno previsto la presenza di 17mila geni. Tra le varie scoperte, segnalo il fatto che questa lucertola ha un sistema di determinazione del sesso simile a quello dei mammiferi: le femmine hanno due X, i maschi uno solo. Gli uccelli, invece, che dai rettili si sono evoluti, hanno il sistema ZW, in cui sono le femmine ad avere due cromosomi sessuali diversi.

Image credit: IraEskins (Wikimedia)

Alfoldi et al “The genome of the green anole lizard and a comparative analysis with birds and mammals” Nature 2011

In arrivo il genoma della Marijuana

Un’azienda olandese ha pubblicato online i primi dati riguardanti il sequenziamento del genoma della Cannabis sativa. Questa pianta, famosa in tutto il mondo per le proprietà stupefacenti dei suoi fiori, è in realtà oggetto di seri studi scientifici che intendono scoprirne le possibili applicazioni terapeutiche. La Medicinal Genomics è un’azienda con sede ad Amsterdam (e dove se non lì?) che si occupa proprio di esplorare il genoma della Cannabis, al fine di capire come usare queste piante per curare le malattie più disparate: sul sito si legge che la marijuana potrebbe essere usata contro l’artrite reumatoide, l’osteoporosi, l’ipertensione, il cancro, l’Alzheimer e molto altro.

Il genoma di Cannabis sativa, liberamente accessibile su un sito internet dedicato, è ancora in forma di bozza: sono stati generati 131 miliardi di basi, che tuttavia devono essere ancora assemblate per formare la sequenza genomica completa, di 400 milioni di basi. Prossimamente saranno pubblicati anche i dati relativi a un’altra specie di Cannabis, la Cannabis indica. I genomi delle due piante aiuteranno i ricercatori a studiare le loro proprietà terapeutiche, e a selezionare varietà adatte all’applicazione medica.

Degli 85 cannabinoidi presenti nella marijuana, soltanto uno ha effetti psicoattivi, mentre gli altri 84 hanno potenzialità terapeutiche rilevanti che gli studiosi stanno cercando di caratterizzare. Anni di ricerche hanno mostrato che i cannabinoidi possono essere utilizzati come antidolorifici proprio come gli oppiacei (ad es. morfina e codeina), ma rispetto a questi ultimi danno meno dipendenza. Hanno inoltre una bassa tossicità rispetto ad altri farmaci. Non stupisce affatto, quindi, che la Food and Drug Administration abbia approvato più di 40 trial clinici che scommettono sulla Cannabis come agente terapeutico.

Fonte: BusinessWire, Nature News Blog

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.

Il genoma della patata

Le facciamo bollite, fritte, al forno. Le usiamo per fare crocchette, puré, gnocchi e persino focacce. Sono vendute anche come snack in tutti i supermercati, ma le mangiamo soprattutto a tavola, principalmente come contorno dei secondi piatti. Fanno parte della cucina tipica italiana (vedi la pitta pugliese) e di moltissime cucine straniere (dal famoso fish and chips al rösti svizzero). Conosciamo un milione di modi per cucinare questo tubero prelibato, e ora conosciamo anche il suo genoma.

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La sequenza genomica di Solanum tuberosum è stata pubblicata sulla rivista Nature da un consorzio internazionale formato da 26 istituti di ricerca, tra cui l’italiana Enea. Nel lavoro si legge che il genoma della patata, lungo 844 milioni di basi, è stato sequenziato e assemblato per l’86%, mediante l’utilizzo combinato di tecnologie di nuova e vecchia generazione.

In realtà, la sequenza pubblicata non si riferisce alla patata commerciale che tutti conosciamo, ma a una varietà più vicina alla patata originale del Sud America. Il motivo è presto detto: il genoma della varietà commerciale è tetraploide (significa che possede quattro copie per ognuno dei 12 cromosomi), e inoltre ha un elevato grado di eterozigosità (le quattro copie sono molto diverse tra loro). La varietà sequenziata è stata realizzata partendo invece da una varietà diploide, che possedeva cioè soltanto due copie per ogni cromosoma: selezionando e duplicando una sola copia di questi, gli scienziati sono riusciti a ottenere una patata doppio-monoploide, con un genoma molto più semplice da sequenziare.

Le prime analisi dicono che la patata possiede circa 39mila geni, di cui quasi il 90% è attivo in almeno un tessuto della pianta. I ricercatori hanno identificato centinaia di geni di resistenza a varie malattie, che saranno estremamente utili per selezionare varietà più resistenti ai patogeni, come la peronospora della patata che mise in ginocchio l’Irlanda a metà dell’800. La sequenza genomica è stata analizzata anche per fare luce sull’evoluzione dei tuberi, assenti in altre Solanacee come il pomodoro.

Dal punto di vista nutrizionale, le patate sono una fonte importante di carboidrati, fibre e proteine, e sono inoltre ricche di vitamine e sali minerali. Nel 2009 la produzione di patate ha raggiunto i 330 milioni di tonnellate (dati FAO), a testimoniare il ruolo fondamentale di questo tubero per l’alimentazione umana, specialmente nei Paesi in via di sviluppo. La speranza è che grazie al genoma appena pubblicato potremo aumentarne le rese e – perché no – migliorarne la qualità.

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Xu, X., Pan, S., Cheng, S., Zhang, B., Mu, D., Ni, P., Zhang, G., Yang, S., Li, R., Wang, J., Orjeda, G., Guzman, F., Torres, M., Lozano, R., Ponce, O., Martinez, D., De la Cruz, G., Chakrabarti, S., Patil, V., Skryabin, K., Kuznetsov, B., Ravin, N., Kolganova, T., Beletsky, A., Mardanov, A., Di Genova, A., Bolser, D., Martin, D., Li, G., Yang, Y., Kuang, H., Hu, Q., Xiong, X., Bishop, G., Sagredo, B., Mejía, N., Zagorski, W., Gromadka, R., Gawor, J., Szczesny, P., Huang, S., Zhang, Z., Liang, C., He, J., Li, Y., He, Y., Xu, J., Zhang, Y., Xie, B., Du, Y., Qu, D., Bonierbale, M., Ghislain, M., del Rosario Herrera, M., Giuliano, G., Pietrella, M., Perrotta, G., Facella, P., O’Brien, K., Feingold, S., Barreiro, L., Massa, G., Diambra, L., Whitty, B., Vaillancourt, B., Lin, H., Massa, A., Geoffroy, M., Lundback, S., DellaPenna, D., Robin Buell, C., Sharma, S., Marshall, D., Waugh, R., Bryan, G., Destefanis, M., Nagy, I., Milbourne, D., Thomson, S., Fiers, M., Jacobs, J., Nielsen, K., Sønderkær, M., Iovene, M., Torres, G., Jiang, J., Veilleux, R., Bachem, C., de Boer, J., Borm, T., Kloosterman, B., van Eck, H., Datema, E., te Lintel Hekkert, B., Goverse, A., van Ham, R., & Visser, R. (2011). Genome sequence and analysis of the tuber crop potato Nature DOI: 10.1038/nature10158

Il sequenziamento dell’esoma vince un Premio Pulitzer

Mark Johnson, Kathleen Gallagher, Gary Porter, Lou Saldivar e Alison Sherwood del Milwaukee Journal Sentinel hanno vinto un Premio Pulitzer (categoria “Explanatory reporting”) per la loro “lucid examination of an epic effort to use genetic technology to save a 4-year-old boy imperiled by a mysterious disease, told with words, graphics, videos and other images”.

Il reportage realizzato dai tre giornalisti ha raccontato la storia del piccolo Nicholas Volker, 4 anni, tormentato da una misteriosa malattia che gli stava distruggendo l’intestino. Non sono serviti più di 100 interventi chirurgici, tra cui l’asportazione del colon: il bambino continuava a soffrire sintomi simili a quelli del morbo di Crohn, ma a differenza di questa patologia quella di Nicholas sembrava non poter essere curata.

Il punto di svolta è arrivato quando i medici hanno deciso di sequenziare il suo esoma, cioè la porzione del genoma che contiene le istruzioni per fabbricare le proteine: dopo un’attenta analisi, è emerso che Nicholas aveva una rara mutazione nel gene XIAP, sul cromosoma X. Grazie a questa informazione, i medici hanno capito che dovevano resettare il sistema immunitario del bambino, in guerra con il suo stesso intestino. Un trapianto di midollo osseo ha risolto il problema, e il piccolo Nicholas ha finalmente iniziato a mangiare normalmente, come tutti i suoi coetanei. Per la prima volta si è riusciti a salvare la vita di un bambino grazie al sequenziamento del DNA.

La storia che è valsa ai cinque giornalisti un Premio Pulitzer è accessibile a questo indirizzo.

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