I misteri del DNA

Il 31 marzo 2022 è stato completato il sequenziamento di un genoma umano. Ma cosa significa questo traguardo? Alcuni risultati sono controintuitivi: quello che distingue gli umani dalle scimmie è una percentuale del 4%, ma nessun umano è uguale a un altro, neanche i gemelli.


IN COPERTINA, Max Ernst, The Triumph of Surrealism, 1937

di Marzia Ammendolea

Quando si parla di genetica, il pensiero corre al DNA (acido desossiribonucleico) e alla sua tipica forma a doppia elica. Sappiamo che il DNA è una sostanza che contiene l’informazione genetica della cellula e che tale informazione viene tramandata da una generazione alla successiva. Da quando è stato proposto il Progetto Genoma Umano (Human Genome Project, o HGP) nel 1986, si è cominciato a parlare non solo di genetica ma anche di genomica. È nata quindi una nuova disciplina, che si occupa della mappatura del genoma, dal punto di vista strutturale (mappatura vera e propria, sequenziamento), funzionale (analisi delle funzioni dei geni) e comparativo (confronto tra genomi di diverse specie).

Il sequenziamento completo di un genoma umano è acquisizione recente. Fino al 2003 infatti ne era stato sequenziato “solo” il 92% e, per colmare la restante lacuna dell’8%, si è messo all’opera il consorzio Telomere to Telomere (T2T) finanziato dal Dipartimento della Salute degli Stati Uniti. Di questo risultato e di altre curiosità scientifiche inerenti la genomica ho parlato con la prof. Rosanna Asselta, PhD in Genetica Molecolare, Ordinario di Genetica Medica del Dipartimento di Scienze Biomediche, presso Humanitas University di Milano. 

Mi accingo a incontrarla, forte del mio recente ripasso (su Biologia e Genetica, a cura di P. Bonaldo, S. Duga et al. EdiSES, 2013). Quando mi accoglie nel suo studio, il suo sorriso mi incoraggia – se sbaglierò qualche termine mi correggerà. Amorevolmente, spero. Nell’ingresso, noto una valigia. È appena tornata da Vienna dove ha partecipato al congresso della European Society of Human Genetics (la vita di chi studia sempre può essere più dinamica di quanto ci si immagina). 

m.a. La rivista “Science” ha pubblicato l’articolo che annuncia il sequenziamento completo di un genoma umano il 31 marzo 2022. Era un risultato molto atteso?

r.a. Assolutamente sì. È dal 2003 che aspettavamo di colmare questo gap. Alla base c’era un problema legato alle tecniche di sequenziamento tradizionali. Per semplificare al massimo il discorso, le tecniche tradizionali leggevano solo brevi frammenti di DNA; con l’introduzione di sistemi long reads, l’ostacolo è stato superato. La lettura di brevi frammenti, infatti, non permetteva di capire i confini di alcune regioni del DNA che si ripetevano in maniera identica. In particolare, non erano ancora state sequenziate le regioni intorno al centromero (il centro di ciascun cromosoma), che sono caratterizzate dalla presenza di “DNA satellite”, altamente ripetuto. Un tempo erano considerate regioni di poca importanza, perché la ricerca si focalizzava solo sui geni che codificano per proteine (questa regione del DNA è detta esoma), ma già nel 2003 abbiamo capito che questi geni sono solo una piccolissima parte del genoma (intorno al 2%) e abbiamo ancora molto da imparare sul DNA.

m.a. Ci sono quindi delle caratteristiche che tutti, in quanto appartenenti alla stessa specie umana, condividiamo. Il DNA è costituito da nucleotidi, i quali sono a loro volta composti di tre elementi: un gruppo fosfato, un monosaccaride (desossiribosio) e una base azotata. Le basi azotate sono quattro: adenina, guanina, citosina e timina, indicate con la loro lettera iniziale (A, G, C, T). I nucleotidi si differenziano a seconda della base azotata che posseggono. C’è un’alternanza sempre fissa in ogni individuo? Dal punto di vista genetico, qual è la differenza tra un individuo e un altro?

r.a. Sequenziando il genoma ci siamo resi conto che ci sono delle posizioni variabili: in alcune persone ci sono polimorfismi in cui i nucleotidi sono diversi. Queste varianti del DNA possono essere rare, o molto frequenti. (Una variante si dice rara se è presente in meno dell’1% della popolazione). Si definiscono single nucleotide polymorphism, o SNP. Li chiamiamo Snips (è un nome usato sia in Italia che all’estero). 

Queste varianti, possono stare ovunque nel genoma; si pensava ce ne fosse una ogni mille basi, il genoma è lungo 3 miliardi di basi, quindi 3 milioni di polimorfismi. Attualmente, abbiamo scoperto che sono molti di più. In una delle ultime release del data base che contiene questi polimorfismi (NCBI dbSNP Build 151) ne sono registrati più di 335 milioni (alcuni molto rari, al di sotto della soglia dell’1%). Siamo intorno all’11% del DNA. Potenzialmente la diversità tra esseri umani è piuttosto alta, ma spesso alcuni polimorfismi sono presenti contemporaneamente negli individui e le differenze tra uno e l’altro non sono così grandi. Verosimilmente nessuno possiede l’intera gamma dei polimorfismi. Essere diversi per l’11% del DNA è tantissimo. Teniamo conto che quello che distingue gli umani dalle scimmie è una percentuale del 4%. La cosa interessante è che nessuno è uguale a un altro e stiamo scoprendo che anche i gemelli identici, non sono così identici. Per esempio, il mio gruppo sta studiando la malattia di Parkinson: abbiamo reclutato una quarantina di coppie di gemelli identici, in cui uno dei due ha la malattia e l’altro no, e stiamo cercando di capire quante e quali mutazioni genetiche o ricombinazioni a livello del genoma hanno, che li differenziano.

m.a. Quanto sono attendibili i test di paternità?

r.a. Sono veramente attendibili. Si basano sull’analisi dei polimorfismi. In questo caso, non ci riferiamo agli SNP; non sono polimorfismi di singolo nucleotide ma di ripetizione, si chiamano polimorfismi microsatelliti. Sono sempre varianti del DNA, ma di lunghezza. Tipicamente ci si riferisce ai CA repeat. In alcune particolari regioni del genoma ci sono ripetizioni CA CA CA CA… per un certo numero di volte (C e A sono sempre le basi azotate citosina e adenosina), che variano da individuo a individuo: una persona ha tre ripetizioni, un’altra quattro, un’altra venti, ecc. Li possiamo considerare come dei blocchetti. Siccome appunto queste ripetizioni non sono uguali per tutti gli individui, possiamo usarle come marcatori. Nei test di paternità si vanno a cercare questi polimorfismi nel DNA della mamma, del sospetto papà e del figlio.

Ricordiamo che il DNA umano conta 23 coppie di cromosomi e che per ogni coppia di cromosomi, uno viene ereditato dal padre e uno dalla madre. Tenendo conto di questo, si individuano delle ripetizioni CA in un determinato punto di un cromosoma della madre e si vanno a cercare su quello stesso cromosoma le ripetizioni CA del figlio e del presunto padre. 

Per capirci, facciamo un esempio. Poniamo che sul cromosoma 1 della madre vi siano ripetizioni di cinque e di sei; su quello del presunto padre vi siano ripetizioni CA di sette e dodici. Se il figlio presenta ripetizioni CA di sei e dieci, sicuramente quello non è suo padre (il figlio riceve le sei ripetizioni dalla madre; il padre avrebbe dovuto passargli sette o dodici ripetizioni, e così non è). 

L’esclusione è sicura al 100%.

Proseguendo con lo stesso esempio, nel caso in cui il figlio abbia ripetizioni CA cinque e dodici, esistono delle probabilità che quello presunto sia il padre. Ma non ci si ferma qui.

Una sola coincidenza di marcatori potrebbe essere casuale, quindi vengono analizzati venti o trenta polimorfismi e si osserva se c’è trasmissione al figlio. 

Se tutti i marcatori trovano riscontro, la paternità viene calcolata con metodi statistici. Si calcola cioè la probabilità che quel determinato assetto genetico sia presente nella popolazione. Se, poniamo, risulta presente una volta su 6 miliardi, e abbiamo anche la testimonianza della madre, la determinazione di paternità, è data per certa. 

m.a. Questo metodo ha altre applicazioni?

r.a. Sì, nelle scienze forensi. È stato utilizzato nel caso dell’omicidio di Yara Gambirasio, di cui si è molto parlato anche perché è stato risolto grazie a test genetici massivi. Cos’hanno fatto? Hanno estratto il DNA del probabile assassino dai vestiti della bambina e hanno cercato i marcatori CA repeat, in più hanno anche visto il DNA mitocondriale (il DNA dei mitocondri, che viene ereditato solo per via materna) e hanno quindi delineato un profilo genetico. Poi hanno eseguito un’analisi del DNA di migliaia di persone nella zona e per ciascuna hanno cercato i marcatori e il DNA mitocondriale. Cos’hanno trovato? Non hanno trovato una corrispondenza del 100%, ma delle corrispondenze parziali che indicavano che il profilo ottenuto apparteneva sicuramente a un certo gruppo familiare. Questo ha ristretto notevolmente la cerchia dei sospetti. 

I costi sono stati ragguardevoli. Un’estrazione di DNA (come per l’analisi di paternità) costa circa 5-10 euro. In questo caso, moltiplicati per i soggetti analizzati (si è parlato di 30.000 persone). Vanno poi aggiunti i costi dei kit per la genotipizzazione per i polimorfismi. Un’indagine di quest’ampiezza è senza dubbio onerosa e questo spiega perché non viene svolta abitualmente. 

m.a. Talvolta nelle serie poliziesche sentiamo parlare del CODIS (Combined DNA Index System)

r.a. Sì, è vero, lo nominano spesso in C.S.I.!  È una banca dati gestita dall’ FBI, che contiene i risultati della genotipizzazione del DNA di tutti i detenuti, dei cadaveri ritrovati (i cui dati possono essere confrontati con quelli delle persone scomparse) e in generale di tutto il materiale elaborato nei laboratori forensi. Esiste anche un CODIS europeo.

m.a. È come un moderno archivio di impronte digitali?

r.a. Esattamente, si chiamano proprio DNA finger prints, sono “impronte genetiche”. Negli Stati Uniti ci sono anche archivi del DNA dei militari e, viste le recenti stragi, si discute di istituire qualcosa di simile anche per i civili che acquistano un’arma (oltre a richiedere una valutazione psichiatrica che ne accerti la stabilità mentale). 

m.a. Le finger prints si ottengono con un sequenziamento del DNA?

r.a. In genere no, almeno per ora. Solitamente, si amplificano tramite PCR (Polymerase Chain Reaction) brevi tratti di DNA, in venti/trenta posizioni specifiche, che individuano venti/trenta polimorfismi e poi si sottopongono alla tecnica della elettroforesi capillare. Ultimamente, con l’abbattimento dei costi di sequenziamento, si può iniziare a pensare di sequenziare il genoma, ma può bastare anche solo l’esoma (che come dicevamo corrisponde a un 2% dell’intero DNA e quindi comporta costi più bassi).

m.a. Dal punto di vista comparativo, cosa impariamo dal confronto tra i genomi di specie diverse?

r.a. Come regola generale, ci sono delle regioni più conservate di altre, (conservata vuol dire mantenuta nel corso dell’evoluzione. Parliamo di evoluzione considerando via via gli organismi dai più semplici ai più complessi) guarda caso, la regione che codifica per proteine è molto conservata.

Se mettiamo a paragone il genoma delle scimmie e il genoma umano c’è moltissima similitudine, però ci sono diversi “organismi modello” che sono stati sequenziati, per esempio, topo, ratto, pollo, Xenopus (rana), pesce zebra e moscerino della frutta. Se paragoniamo il genoma di questi organismi c’è moltissima conservazione, come dicevamo, nelle regioni che codificano per proteine. Al di fuori di queste regioni, le differenze sono enormi. 

m.a. ricordiamo in breve che nella sintesi delle proteine è fondamentale il lavoro dell’RNA, un acido nucleico come il DNA, una molecola simile, ma che differisce per alcune componenti tra cui una delle basi azotate. Al posto della timina, infatti, è presente l’uracile (U). Ci sono diversi tipi di RNA. Riassumendo al massimo, possiamo dire che l’RNA trascrive le informazioni contenute nel DNA e le traduce per formare le proteine.

r.a. Nell’uomo circa il 75-80% del DNA viene trascritto, cioè produce RNA che non codifica per proteine. La funzione di questo processo in molti casi è ancora ignota, in altri ben conosciuta; queste sono regioni meno conservate. Sembra ci sia una correlazione tra evoluzione e long non-coding RNA che vengono espressi e che hanno una funzione, mentre più in basso i genomi sono meno complicati, con meno materiale inter-genico.

m.a. Viene da immaginare un futuro non lontano in cui ognuno di noi potrà includere nella propria cartella clinica il sequenziamento del proprio genoma. 

r.a. Il futuro è proprio questo. In qualche paese hanno già iniziato a farlo sull’esoma. Per esempio in Olanda, hanno iniziato a fare delle prove, a sequenziare l’esoma dei neonati. A brevissimo si potrà fare sul genoma.

m.a. Come la mettiamo con i costi?

r.a. Sequenziare un genoma costa circa 500-1000 euro – se si pensa che una risonanza magnetica, pagata privatamente, costa circa 800 euro, non è tantissimo – il sequenziamento del solo esoma costa intorno ai 200 euro. Si tratta di un investimento contenuto, naturalmente se si posseggono le facilty adeguate. Più le macchine sono processive, minore è il costo per unità di sequenziamento. Una macchina altamente processiva (sono macchine imponenti, ci vogliono anche degli spazi notevoli per ospitarle) potrebbe mantenere i costi entro queste cifre. Magari non tra cinque anni, né dieci, ma in un futuro abbastanza prossimo è probabile che si sequenzi il genoma dei neonati (basta prelevare 200 microlitri di sangue) e poi si potrebbe salvare su una chiavetta Usb e consegnarlo ai genitori o salvarlo nella memoria del cellulare. 

m.a. Quanto sarebbe rilevante dal punto di vista diagnostico e preventivo? Quali sono le auspicabili applicazioni mediche di queste conoscenze? 

r.a. C’è tutta una serie di screening neonatali che vengono effettuati, per esempio ci sono malattie congenite del metabolismo, che se prese per tempo possono evitare al bambino di sviluppare delle importanti patologie. Avendo il genoma del bambino, si vanno ad analizzare specificamente dei geni che possono determinare dei difetti del metabolismo congenito. Così subito si possono dare indicazioni dietetiche e terapeutiche.

Un esempio è la fenilchetonuria, che dipende dalla difficoltà dell’organismo a metabolizzare la fenilalanina; se viene individuata la mutazione genetica che ne è responsabile, si possono prevenire problemi dello sviluppo intellettivo, iniziando da subito ad attenersi a una dieta priva di questa sostanza.

Un altro esempio è la fibrosi cistica, che purtroppo non si può prevenire, ma può essere molto utile diagnosticare immediatamente. 

Poi a diciott’anni, quando il piccolo è cresciuto e può comprendere e fare delle scelte che riguardano la sua salute, gli si dà l’opportunità di firmare un consenso informato. Vuoi sapere se sei predisposto a sviluppare determinate patologie? E allora se firmi il consenso, anche attraverso una semplice app, puoi venire a conoscenza di eventuali predisposizioni genetiche. 

Un esempio celebre, di cui si parla spesso quando si affrontano questi temi, è quello di Angelina Jolie. Quando è familiare, il cancro della mammella è dovuto spesso a mutazioni in due specifici geni che si chiamano BRCA 1 e BRCA 2 (la sigla sta per BReast CAncer, cancro della mammella). Se uno di questi è mutato, si è predisposti ad avere cancro. Hanno trovato la mutazione che ha causato il cancro nella famiglia di Angelina Jolie; lei si è sequenziata e ha scoperto di avere la stessa mutazione. Il che significa l’87% delle probabilità di sviluppare il cancro. Cosa fare a questo punto? Una possibilità era tenersi sorvegliata, l’altra farsi togliere le mammelle e l’apparato riproduttivo (perché i geni BRCA sono associati anche al cancro dell’ovaio). Una decisione estrema indubbiamente, dettata da motivazioni importanti.

Ci sono altre applicazioni. Esiste la farmaco-genomica. Ci sono tanti polimorfismi diffusi nella popolazione, che non creano chissà quale problema, però magari impediscono di metabolizzare un farmaco, quindi cosa succede? Hai una patologia, il medico ti prescrive un farmaco e quello non funziona, allora torni dal medico e lui ti cambia la cura, ma se tu da subito sai che sei portatore di quel polimorfismo che ti impedisce di metabolizzare quel farmaco, il farmaco non lo prendi, ne prendi direttamente un altro. E questo significa risparmio per il paziente, in termini di salute, economici, per il Sistema Sanitario, e ovviamente cure più efficaci. 

m.a. Un ultimo esempio?

r.a. Sono tanti. Un altro esempio è la mutazione in GBA che provoca il Parkinson. GBA è un gene che codifica per una proteina che si chiama Glucocerebrosidasi, si sa che è associato allo sviluppo di Parkinson (non è l’unica possibile causa di Parkinson). Attualmente diversi clinical trial perseguono lo scopo terapeutico di agire direttamente su GBA. Puntando a curare la causa e non i sintomi della malattia. Normalmente, ai parkinsoniani, cui manca la dopamina, viene somministrata una terapia sostitutiva, in poche parole, danno loro la dopamina. Con tutta una serie di problemi, legati per esempio al manifestarsi di discinesie o al fatto che nel corso del tempo la dopamina viene assorbita di meno dall’organismo. Si tratta di una cura dei sintomi, ma nel frattempo la malattia progredisce comunque. Se questi trial si dimostrano efficaci, porteranno alla sintesi di un farmaco che agisce sulla causa della malattia, che certo non “corregge” la mutazione in sé, ma compensa il malfunzionamento della proteina. 

Sopra i 65 anni, l’1% della popolazione ha il Parkinson e intorno agli 80 anni arriviamo al 3%. Di questi, almeno il 15% ha una mutazione in GBA. Una cura avrebbe un impatto rilevante sulla salute pubblica.

(Infatti le case farmaceutiche stanno investendo nella ricerca. È il “lato positivo”, se così possiamo dire, di avere una malattia molto diffusa. Le malattie genetiche rare sono meno studiate, ed è per questo che è nato il Telethon, per esempio).

m.a. Le prospettive paiono incoraggianti.

r.a. Si apre un mondo. A voler essere un po’ visionaria – e in questo momento mi ci sento – mi immagino che tra dieci o vent’anni ciascuno abbia il suo genoma sul cellulare. Va dal medico di famiglia e il medico per esempio vede che ha l’ipertensione, e dice vediamo un attimo, usiamo l’app e andiamo a cercare i geni responsabili dell’ipertensione; viene fuori il risultato e, sulla base del risultato, dice ti prescrivo questa cura, oppure attenzione che sei predisposto all’infarto, o al diabete, e allora ti do la dieta… e quindi prevenzione e vita migliore.


MARZIA AMMENDOLEA È NATA A MILANO NEL 1969, HA UN MASTER IN EDITORIA E SCRIVE DI LETTERATURA, CINEMA E CONNESSIONI TRASVERSALI (QUANDO LE TROVA).

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