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 #12 – Aprile 2011

Dal punto di vista della genetica, Aprile è stato il mese dell’Alzheimer. Le stime parlano di 66 milioni di malati previsti per il 2030, un dato agghiacciante se si pensa che tutt’oggi questa grave malattia non ha ancora una cura. Potrebbero quindi essere molto importanti, almeno in un’ottica di diagnosi precoce, i due articoli pubblicati su Nature Genetics che hanno identificato ben cinque nuove varianti genetiche associate al morbo di Alzheimer. Il numero totale di geni legati a questa malattia sale così a 10, dei quali l’APOE era e rimane il più rilevante.

Proprio basandosi su questo gene, l’azienda di personal genomics 23andMe è ora in grado di calcolare e fornire ai suoi clienti il rischio di ammalarsi di Alzheimer. Così come per altri tratti “delicati”, anche in questo caso viene richiesta un’esplicita autorizzazione per svelare il risultato del test genetico, una procedura di sicurezza assolutamente condivisibile visto l’impatto psicologico notevole che potrebbe avere su un cliente la scoperta di avere una probabilità di ammalarsi prossima all’80%. I lettori del mio blog, però, non sembrano essere particolarmente turbati dalle malattie incurabili: in base ai risultati del mio ultimo sondaggio, oltre la metà dei partecipanti si è dichiarata pronta a effettuare un test genetico per una patologia senza cure né strategie di prevenzione. A proposito di sondaggi, ce n’è uno nuovo sui test genetici ai minori: siete tutti invitati a rispondere!

Passiamo da un’epidemia possibile a un’epidemia conclamata, vale a dire l’obesità: ne soffrono infatti 400 milioni di persone nel mondo. Due articoli pubblicati su PLoS One e Diabetes fanno luce su nuovi interessanti meccanismi alla base di questo disturbo metabolico. Il primo riguarda una variante genetica double-face: da un lato alza il rischio obesità, dall’altro rende maggiormente sensibili agli effetti “dimagranti” degli acidi grassi Omega-3. Nel secondo articolo, invece, si parla di un rischio obesità che compare addirittura nella pancia della mamma: la causa sarebbe un’alterazione epigenetica provocata dalla dieta in gravidanza. Parlando di argomenti più leggeri, questo mese ho partecipato per la seconda volta al Carnevale della Biodiversità, con un articolo sull’estrema variabilità che si osserva nella dimensione dei genomi delle specie viventi, e su una curiosa teoria di due scienziati russi: la teoria del DNA altruista.

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.

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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