Cromosomi incrociati Separati 75 milioni di anni fa, «i geni sono rimasti gli stessi, è cambiato il progetto». Lo studio comparato dei due genomi, una rivoluzione in laboratorio

CARLO ALBERTO REDI
SILVIA GARAGNA
MAURIZIO ZUCCOTTI *
Per tanti di noi che vedono l'uomo come un animale cui spetta un posto speciale nel mondo dei viventi sarà certamente una sorpresa sapere che siamo così fortemente simili ad altre specie, le differenze essendo dovute non tanto a differenze qualitative tra i geni ma a come gli stessi geni si arrangiano in gruppi e come questi siano regolati, accendendosi e spegnendosi in modo molto complesso, nel corso dello sviluppo e della differenziazione cellulare. Questo è il grande contributo della pubblicazione della sequenza del genoma del comune topolino domestico: permettere una genomica comparata molto fine e dimostrare che è il programma di funzionamento di geni molto simili ciò che determina il risultato finale, l'uomo e il topo. Così, l'uomo ha lo stesso complemento genetico del topo e del cane e sono i fattori di trascrizione che accendono e spengono gruppi di geni in combinazioni differenti ad attribuire all'uomo la sua unicità. Non è un caso che tra i Dna umani sequenziati fosse stato inserito quello di uno scimpanzé e nessuno sia riuscito a identificarlo sulla sola base delle sequenze di Dna! In altre parole, il Dna dello scimpanzé è quello dell'uomo con un leggero polimorfismo genico (ne prendano nota alcuni politici nostrani, ciò significa chiaramente che non esistono razze). Una volta sequenziato il genoma umano ci si rese conto che non era possibile sfruttare appieno le conoscenze a disposizione senza disporre di un genoma di confronto e che questo doveva essere quello del topolino. Uomini e topi si sono separati circa 75 milioni di anni fa ma il loro genoma è molto simile in dimensioni e il topolino è un animale da esperimento insostituibile. La pubblicazione della sequenza del genoma murino da parte del consorzio pubblico costituisce l'inizio di una nuova era per le ricerche biologiche poiché permetterà di dissezionare a livello molecolare i tratti genetici (anche quelli complessi e determinati da più di un singolo gene) legati alle patologie che affliggono il genere umano, e lo si potrà fare sperimentalmente in laboratorio. Così un giorno si potrà compilare una lista completa dei geni umani, e delle proteine da loro codificate, implicati nelle patologie e considerare i geni come gli «elementi della tavola periodica della biologia» per impiegarli nelle ricerche biomediche come i chimici impiegano la tavola periodica degli elementi per capire la natura dei composti chimici. Sarà possibile capire meglio le cause delle malattie e la relazione tra fattori genetici e ambientali (non-genetici) nel determinare la condizione umana. Potremo creare nuovi topolini privi di un gene o con un gene sovrannumerario, nuovi transgenici, scoprire quali geni sono implicati in specifiche forme tumorali e capire meglio i meccanismi di regolazione dell'espressione genica e quindi come manipolarli per positive applicazioni biomediche. Se questo è in sintesi il grande contributo, per comprenderne tutta la rilevanza per la comunità scientifica può essere utile ripercorrere la storia dell'impiego del topolino nella ricerca biomedica.

Da circa un secolo il comune topolino domestico (Mus musculus domesticus) costituisce il modello animale ideale per lo studio di moltissime patologie umane: agli inizi del 1900 in Europa alcuni amatori iniziano a incrociare topolini per divertimento, per hobby, sulla base di caratteristiche ritenute divertenti quali il colore della pelliccia o il comportamento anomalo (come quello dei topolini che tentano di rosicchiarsi la coda, un mutante neurologico denominato waltzer). In pochi anni si creano delle piccole colonie geneticamente molto pure poiché tutte derivano da quei pochi progenitori scelti sulla base delle caratteristiche ritenute di interesse. E' da queste piccole colonie che originano i ceppi che oggi impieghiamo nella ricerca biomedica, grazie a un pionieristico lavoro di alcuni genetisti statunitensi.

Alcune caratteristiche fisiologiche favoriscono l'impiego del topolino nella ricerca: è un mammifero, è piccolo, si riproduce frequentemente (ogni quattro giorni la femmina ha l'estro) e si sviluppa in soli venti giorni. Si comprende quindi come verso il 1950-60 il topo sia già vastamente impiegato in biomedicina. Negli anni 1970-80, grazie al contributo di Alfred Gropp (Lubecca) ed Ernesto Capanna (Roma), il genoma del topolino rivela la sua prima sorpresa: il numero di cromosomi delle popolazioni di topolini sparsi per tutta l'Italia e le valli svizzere è variabile sebbene tutti questi animali appartengano alla stessa specie (il numero dei cromosomi è fisso per ciascuna specie: l'uomo ne ha 46, il topo 40, il cane 78, il gatto 38). Questa scoperta apre la possibilità di realizzare incroci tra le diverse popolazioni così da produrre topolini portatori di patologie cromosomiche. Nel frattempo si era stabilito che il cromosoma 16 del topolino porta una grandissima quantità di geni che si ritrovano sul cromosoma 21 umano: si apriva così l'opportunità di generare topolini Down e studiare in dettaglio sia le cause molecolari delle traslocazioni cromosomiche alla base della trisomia 21 (studi ai quali ha contribuito anche il nostro gruppo) sia le patologie che affliggono i Down, in particolare quelle cardiache e del colon (prime cause di morte).

La sindrome di Down (1 nato su circa 700) è la più frequente nell'uomo, con altissimi costi umani e sociali: si capisce così che ben due articoli che accompagnano la pubblicazione del genoma murino siano dedicati proprio a questa problematica. Ed è orgoglio della comunità scientifica italiana il fatto che uno di questi sia a firma del gruppo di Andrea Ballabio della seconda Università di Napoli e Istituto Telethon di Genetica e Medicina: Ballabio e i suoi colleghi hanno studiato ben 161 geni murini analoghi ai178 umani presenti sul cromosoma 21. In tal modo hanno stabilito dove (cuore, arti, sistema nervoso centrale e tratto gastrointestinale) e quando nel corso dello sviluppo si accendono e si spengono questi geni: hanno così prodotto un atlante dell'espressione spazio-temporale di questi geni, atlante che permetterà un'indagine sistematica a livello molecolare di embriologia dinamica della sindrome di Down e più in generale permetterà di capire come l'espressione differenziale di diversi geni determini lo sviluppo di un organo. Quest'ultimo punto sottolinea uno dei grandi contributi di fondo alle conoscenze scientifiche del sequenziamento del genoma murino: disponiamo oggi di un genoma che appartiene a un mammifero di cui conosciamo meglio di altri la genetica, che possiamo manipolare sperimentalmente e la cui fisiologia è molto simile alla nostra. Un altro contributo deriva dalla comparazione con i genomi già sequenziati e in particolare con quello umano, portando conferme e suggerendo strategie di ricerca: si conferma così che il numero di geni è inferiore ai 30.000 e che la grande quantità di Dna non codificante (98% nell'uomo) svolge un ruolo essenziale nel regolare l'espressione genica, non si tratta dunque di Dna spazzatura ma di Dna regolativo. Si ricorderà la grande sorpresa (frustrazione) per non avere un progetto concettuale capace di spiegare come con circa 30.000 geni e oltre il 98% di Dna non-codificante, ripetitivo, si possa modellare una struttura certamente complessa quale è il corpo umano. Questo è un risultato sperimentale che viene a costituire una prospettiva rivoluzionaria poiché permette ai ricercatori di tentare l'identificazione di tutte le componenti molecolari e dei meccanismi di controllo delle funzioni cellulari; e grazie alla conoscenza fine del mondo cellulare, nel prossimo futuro potremo avere una visione ben chiara di tutto l'universo delle interazioni cellulari e quindi del differenziamento cellulare e dello sviluppo di un organismo a partire da una singola cellula, lo zigote. La ricerca scientifica può ora passare dalla analisi degli effetti di singoli geni allo studio di come insiemi coordinati di geni interagiscono nel formare un organismo adulto; ad analizzare finemente l'influenza dei fattori ambientali (non-genetici) sullo sviluppo; a svelare nuove conoscenze sulle nostre origini come specie e a nuove strategie per combattere le malattie. Inoltre, gli studi di genomica comparata permetteranno di capire la relazione tra divergenza delle sequenze e cambiamento nella funzione di un gene o anche di identificare regioni di Dna funzionale anche se non-codificante per una proteina; o ancora, di identificare le sequenze di controllo della funzionalità di singoli geni, sequenze che generalmente sono conservate. Ciò permetterà di impostare meglio le domande relative alla funzione del Dna ripetitivo nel nostro genoma e tentare di capire il significato funzionale del 98% del genoma umano che non codifica per proteine: appare chiaro che la presenza di questo tipo di Dna in certe regioni è necessaria al buon funzionamento dei geni.

La gran parte del Dna di un genoma, è definita anche in testi classici, come «Dna ignorante» o «Dna spazzatura». Tali definizioni devono essere intese più correttamente come una chiara espressione rivelatrice della nostra ignoranza: anche un quartetto di Mozart può essere definito «ignorante» se non si dispone degli strumenti concettuali per apprezzarlo non come un insieme di rumori. Una delle grandi acquisizioni delle imprese di sequenziamento sarà quella di averci insegnato a impiegare altri schemi concettuali utili a spiegare la realtà che ci circonda e fondando nuovi epistemi che anche i filosofi potranno impiegare per arricchire le società del futuro, sempre più basate sulle conoscenze scientifiche.

Un ultimo punto riguarda i costi per mantenere libero e accessibile a tutti i ricercatori il repertorio delle sequenze: solo così potremo accelerare le ricadute positive in ambito biomedico e tutti i paesi dovrebbero contribuire economicamente a questo sforzo poiché è chiaro che la biologia oggi si pone come motore dell'evoluzione sociale ed economica ed è imperativo che nel nuovo mondo che si sta delineando ogni cittadino abbia una sufficiente cultura scientifica per capire tutte le ricchezze e le opportunità derivanti dalle conoscenze dei genomi umano e murino (e tra breve quello del ratto) per poterle applicare in modo saggio e non generatore di discriminazione sociale e per avere la forza di pretendere dai governi investimenti in ricerca scientifica degni della tradizione culturale del nostro paese.

* Laboratorio di biologia dello sviluppodell'università di Pavia