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

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