IL GENOMA, UN LIBRO TUTTO DA LEGGERE

Come, il genoma umano non era già stato mappato nello Human Genome Project (HGP)? Sì, ma non proprio .

Lo HGP, partito nel 1990,  infatti aveva dato i suoi frutti già nel 2001 con la prima versione del genoma umano incompleta nelle porzioni altamente ripetute, troppo difficili da sequenziare con i mezzi disponibili 20 anni fa.

Questa prima mappatura ha rappresentato una tappa fondamentale nel mondo della genetica e della medicina, basta pensare che è stata paragonata per importanza allo sbarco sulla Luna.

In appena 48 anni si è passati dal capire la struttura del DNA e il suo ruolo come detentore dell’informazione genetica, al codificarlo e, infine, a scriverlo come fosse un libro.

Con questo ambizioso progetto ha dato corpo alle informazioni contenute nelle nostre cellule. Adesso è possibile studiarle e capirle. Se conosciamo il contenuto del genoma, se sappiamo la posizione di ciascun gene e ne conosciamo la sequenza, possiamo risolvere malattie genetiche e bypassare le regole dell’ereditarietà.

Almeno in teoria.

La questione è molto più complessa. Non siamo solo il risultato di un susseguirsi di basi azotate e codoni. La complessità di ciò che siamo non si riduce a una stringa di codice: il DNA si ripiega su se stesso e in questo gioco intervengono proteine strutturali, gli istoni; il DNA dopo essersi impacchettato è chiamato cromatina, più in dettaglio si parla di eucromatina ed eterocromatina. Le informazioni contenute nella prima possono essere lette e trascritte all’interno della cellula, mentre i contenuti della seconda non sono espressi, restano silenti.

Il mistero del genoma è affascinante e non smette di affascinare da anni. Ciò che cela condiziona la nostra vita sia come individui che come specie, essendo la somma dei tratti ritenuti favorevoli alla sopravvivenza.

Per comprenderlo, un buon punto di partenza è renderlo leggibile e interpretabile, anche se come abbiamo già detto, è solo la prima chiave di lettura.

HUMAN GENOME PROJECT

Per la prima volta nella storia, il 15 febbraio 2001 vennero resi noti i risultati del sequenziamento del genoma umano sulle prestigiose riviste scientifiche Nature e Science.

Il progetto terminò solo nel 2003, con quella che era la versione più completa possibile del nostro genoma. La più completa finora.

Andiamo con ordine: ottenere la mappa delle informazioni che rendono l’uomo proprio “uomo”, non gatto o stella marina, non è stato per niente facile. Anzi, è stata una battaglia portata avanti tra menti eccelse.

Per comprendere meglio cosa si nasconde dietro una rivelazione scientifica di questa portata, di seguito riporto una breve e sintetica cronologia:

ANNI ’80: in seno al Department of Energy (DOE) e alla National Institutes of Health (NIH), entrambi istituzioni statunitensi, si fece largo l’idea di decodificare il DNA.

1990: iniziò il Progetto Genoma Umano. Durata stimata: 15 anni. Capitale investito: 3 miliardi di dollari. La direzione del progetto venne affidata a James Watson, uno dei due padri del modello del DNA a doppia elica.

1992:

• James Watson e la direttrice del NIH, Bernardine Healy, si scontrarono riguardo alla brevettabilità delle informazioni che si sarebbero ottenute dal progetto. Watson sosteneva che i dati dovessero essere condivisi con la comunità scientifica mentre la Healy voleva sottoporli a brevetto.
• Watson decise di dimettersi dal suo incarico.
• Parallelamente, Venter, scienziato che collaborò all’HGP, lasciò il progetto per fondare il Tigr ed entrare come competitor nella corsa per il sequenziamento del genoma umano.

1993:

• In aprile venne nominato Francis Collins come direttore del progetto. Sulla questione brevetti, la sua posizione risultò subito chiara: i dati ottenuti dovevano essere condivisi.
• Venter fondò la Celera Genomics dichiarando che sarebbe riuscito a completare il sequenziamento del genoma umano entro 3 anni, una chiara sfida lanciata allo HGP.

1998:

• Clinton e Blair dichiararono che i dati ottenuti sul sequenziamento del genoma umano dovessero essere resi pubblici.
• Collins reso noto su Science che l’obiettivo dello HGP era di ottenere una sequenza che coprisse il 90% del DNA entro 3 anni, per poi coprire il restante 10% negli anni successivi, ammettendo che l’obiettivo era molto ambizioso: fino a quel momento era stato sequenziato solo il 6% del genoma.
• Dopo le dichiarazioni politiche e di Collins, i titoli azionari della Celera crollarono ma risalirono non appena venne completata la sequenza di Drosophila melanogaster. In questo modo Venter aveva legittimato il metodo di sequenziamento messo a punto da lui: lo Shotgun Sequencing.

2000: Collins e Venter furono invitati alla Casa Bianca, dove Clinton annunciò in mondovisione che la prima sequenza del DNA umano era stata completata, grazie agli sforzi sia dei ricercatori del Progetto genoma che dei ricercatori della Celera. In questa occasione, Collins e Venter si strinsero la mano in segno di pace, sancendo un meritato pareggio.

2001: HGP e Celera pubblicarono i loro risultati contemporaneamente.

2003: Il progetto HGP terminò il suo lavoro con due anni di anticipo rispetto il previsto.

ALCUNE CONSIDERAZIONI

Da questa cronologia, potrebbero emergere alcune domande, tipo:

1. Perché il dibattito sul brevetto è stato così acceso?
2. In cosa consiste il metodo di sequenziamento utilizzato da Venter?
3. Perché è stato importante sequenziare altri genomi?

Procediamo con ordine:

1. La questione sulla brevettabilità del genoma non è di poco conto. Soprattutto perché prima dello HGP non era stata approfondita l’eventualità di brevettare una sequenza genetica.

Soltanto nel 2013, la sentenza “can we patent genes?” della Corte Suprema degli Stati Uniti ha deciso all’unanimità che Il DNA non si brevetta. La conseguenza è stata la perdita di validità di diversi brevetti, anche pluridecennali, come quello relativo ai geni BRCA1 e BRCA2 (responsabili dell’insorgenza del cancro alla mammella e alle ovaie) dell’azienda Myriad Genetics.

Infatti, non è possibile brevettare il corpo umano e nessuna delle sue parti, comprese le sequenze totali o parziali dei geni. Non è possibile al fine di garantire che il diritto brevettuale sia esercitato nel rispetto dei diritti fondamentali sulla dignità e l’integrità dell’essere umano e dell’ambiente. È possibile brevettare materiale biologico solo se sussistono i requisiti di novità, attività inventiva e industrialità.

Brevettare la sequenza del genoma umano avrebbe costituito chiaramente dei vantaggi: avrebbe permesso la mappatura genica, di conoscere i geni responsabili delle malattie ereditarie, identificare polimorfismi ovvero le diverse “forme” di un gene ma anche scoprire l’inatteso. È facile immaginare che avere il monopolio di queste informazioni possa restituire in modo esponenziale nuove conoscenze, fama, potere solo al titolare del brevetto.  Rendere open access i dati ottenuti, permette invece a tutti di gareggiare in questa corsa all’oro, fornendo molti punti di vista, diverse conoscenze, arricchendo gli utilizzi che se ne possono fare e velocizzando il tasso di studi, progetti, ricerche e risultati che ne possono nascere.

• Il metodo messo a punto da Venter è chiamato Shotgun Sequencing, è stato motivo di critiche da altri scienziati e di diffidenza riguardo i suoi risultati. Lo stesso Collins fece forza su questa sfiducia, senza mai nominare direttamente la tecnica o l’avversario, durante la loro faida per trarne vantaggio. Questo perché il metodo prevede che il DNA venga frammentato meccanicamente in frammenti di circa 500 coppie di basi per poi essere clonato in un vettore ed essere sequenziato da computer molto potenti. Così da formare molti frammenti, di una certa regione di DNA, sovrapponibili in alcuni punti.  Grazie alle regioni sovrapposte è possibile risalire alla sequenza corretta.

Se da un lato la metodica appariva molto veloce e smart c’era perplessità nel metodo di riassemblaggio per sovrapposizione. Per genomi di dimensioni ridotte, la tecnica funzionava molto bene, ma il rischio di imprecisione cresceva all’aumentare delle dimensioni del genoma in esame ed era necessario tenere in considerazione che il genoma umano, conta circa 3 miliardi coppie di basi.

Quando nel 1998 Venter rese noto la sequenza di Drosophila Melanogaster, i dubbi in merito alla sua tecnica si attenuarono, in quanto contiene 132 milioni di basi e approssimativamente 13.767 geni, un bel campionario di materiale per comprovare l’efficienza dello Shotgun Sequencing.

• Se da un lato sequenziare il genoma del moscerino della frutta ha dato credibilità al lavoro di Venter, dall’altro è anche di notevole utilità nella genomica comparativa, la scienza che compara genomi di organismi diversi per trovare analogie. Solo il confronto con genomi già noti permette di conoscere cosa ci accomuna alle altre specie e in cosa invece differiamo.  Gli studi di genetica su organismi modello come il nematode C. Elegans (un verme), D. Melanogaster (un moscerino), Mus Musculus (topo domestico) hanno permesso di ottenere, per omologia, molte informazioni sul nostro DNA.

IL PROGETTO GENOMA UMANO OGGI

Come già detto, il progetto si è concluso nel 2003. Ma gli studi sul genoma umano non si sono arrestati.

Mancava da svelare l’8% del genoma, la parte che per il tipo di tecniche disponibili non è stato possibile sequenziare prima. Sono conosciute anche come duplicazioni segmentali, sono tratti di DNA che si ripetono più volte e includono geni e sequenze dalle funzioni riconoscibili, probabilmente svolgono un ruolo importante nell’evoluzione. Sono le regioni altamente ripetute, ben 3.400 geni in più rispetto a prima, il numero di basi note è aumentato del 4,5% e i geni che controllano la produzione di proteine sono ora lo 0,4% in più:  in altri termini, la nuova mappa del DNA umano conta 3,9 miliardi di paia di basi, contro i 3,2 della sequenza ottenuta 20 anni fa.

Lo studio fa capo al consorzio T2T (Telomere-to-Telomere) ed è stato pubblicato su BioRxiv, la piattaforma sostenuta dall’attività filantropica di Mark e Priscilla Zuckerberg. 

È stato utilizzato il materiale genetico di una linea cellulare chiamata CHM13. Queste cellule hanno origine  da una gravidanza molare o idatiforme non riuscita, ovvero con un ovocita privo di nucleo che si è correttamente insediato nell’utero ma invece di avere due diverse serie di cromosomi (serie materna e serie paterna), conteneva due copie degli stessi 23 cromosomi. La limitazione di questa linea cellulare è in effetti la mancanza del cromosoma Y; per ovviare a questa mancanze gli scienziati sono già al lavoro per sequenziare il cromosoma Y dalla linea cellulare HG002 che ha un cariotipo 46 XY, utilizzando gli stessi metodi usati genoma di CHM13.

Ad ogni modo, gli scienziati che hanno partecipato al progetto affermano che il loro sforzo è “il più grande avanzamento sulla conoscenza del genoma umano dalla pubblicazione della prima mappa”.

In effetti i loro risultati aprono le porte alla possibilità di studiare minuziosamente i singoli cromosomi da un estremo all’altro, raggiungendo una risoluzione del dettaglio non immaginabile prima.

Pensare che prima del 1944 la molecola del DNA, era considerata troppo semplice per essere candidata come detentrice dell’informazione genetica. Invece è stupefacente pensare come nel 2021 siamo ancora qui ad interrogarci sui suoi misteri cercando di venirne a capo, per capire meglio noi stessi.

La lettura del grande libro del DNA, anche se forse è più corretto parlare di saga, sembra suggerirci che ci saranno ancora altre sorprese e colpi di scena: sicuramente oggi non è ancora il giorno in cui verrà scritta la parola fine a questa storia.

Per saperne di più:

Articolo

Foto copertina: Flickr.com – Victoria Pickering

Giorgia D'Addato

Da sempre innamorata del mondo cellulare, microscopico ed invisibile, nel 2019 ho conseguito la laurea magistrale in Biotecnologie Mediche presso l’Università di Roma La Sapienza.  Mi piace tutto ciò che posso osservare attraverso una lente, infatti sono affascinata dalla microscopia, dalla fotografia e, ultimamente, dall’astronomia. La sfida che sto affrontando al momento è lo studio della comunicazione della scienza, mondo a cui mi sono avvicinata da poco ma che coniuga la mia curiosità scientifica con la passione per la scrittura. Credo che il mondo abbia bisogno di bellezza ma, a volte, è nascosta dietro parole difficili o concetti troppo settoriali. Mi piace pensare di poter aiutare a renderla osservabile a tutti, nel mio piccolo.
Il mio motto è: “Sono disposta a credere a tutto, devi solo convincermi”.