Progetto Genoma Umano

Pochi anni fa è stato concluso il Progetto Genoma Umano, un progetto che è stato portato avanti da diversi centri che hanno permesso il sequenziamento di tutto il genoma umano, ovvero l’identificazione della sequenza nucleotidica di tutti i geni umani.


Grazie all’avvento di tecniche moderne il sequenziamento è stato negli ultimi anni piuttosto rapido, con tre miliardi di coppie di basi azotate che sono state sequenziate. Tuttavia si è scoperto che vi sono molti meno geni (ovvero porzioni di DNA che codificano per specifiche proteine) rispetto a quelli che si pensavano esistere, circa 25000-30000 geni. Dopo aver determinato il sequenziamento e la localizzazione di questi geni sul DNA, possiamo studiare meglio la loro funzione, per trovare nuove strategie diagnostiche e terapeutiche, ma la fase della definizione delle funzioni non è tuttavia ancora stata completata. Tutti i tipi di malattie hanno alla loro base una o più alterazioni genetiche, a carico di uno o più geni, che causano o predisongono l’organismo alla malattia. Nelle malattie neoplastiche si sono già determinati numerosi cambiamenti di geni che portano alla malattia, ma anche malattie metaboliche come il diabete hanno una predisposizione genetica, fanno riferimento ad un background genetico predisponente per la malattia, nonostante il diabete abbia bisogno di altri fattori per instaurarsi in un organismo umano, inoltre la stessa cosa vale anche per le malattie cardiache.

Il sequenziamento del genoma non ci ha dato indicazioni particolari sulla complessità dell’uomo, infatti una pianta ha circa 28000 geni mentre un verme ne ha circa 18000. Se inoltre confrontiamo il genoma dello scimpanze con il nostro, abbiamo in comune circa il 99% dei geni, anche se differiamo molto per aspetto e comportamento. Si pensa dunque che le differenze tra noi e gli scimpanzè siano date dal tipo di espressione genica che regola i due oganismi, si parla di espressione genica differenziale, che fa riferimento a quanto vengano espressi i geni, su come vengono espressi e dove vengono espressi.

I geni che codificano per proteine nell’uomo rappresentano il 3 % di tutto il DNA, è presente infatti una quantità di DNA di cui non conosciamo la sua funzione, che è chiamata junk-DNA (ovvero DNA-spazzatura). In realtà queste sequenze contengono le sequenze regolatrici dell’espressione genica (tipo i promotori, a monte di ogni gene, sull’estremità 5′ del gene preso in considerazione), sequenze che codificano per molecole che fungono da protezione per eventuali delezioni dannose che si verificano nel DNA, inoltre sono presenti geni che codificano per piccoli RNA non codificanti, micro-RNA di 20-25 paia di nucleotidi che agiscono come regolatori dell’espressione genica. Questi piccoli RNA regolano l’espressione genica in senso negativo, nel senso che reprimono la trascrizione di proteine andando ad ibridizzare (ovvero a legarsi attraverso la regola della complementarietà delle basi attraverso legami idrogeno, rispettando la regola di Watson e Crick, con due legami idrogeno tra la coppia adenina-timina e tre legami idrogeno tra la citosina e la guanina) un RNA messaggero specifico, che così non viene trascritto, si parla così di RNA messaggero bersaglio. Questi micro-RNA migrano nel citoplasma e si legano lì con gli RNA messageri, impedendo la trascrizione di quella particolare proteina. Particolari alterazioni di geni che codificano per micro-RNA sono stati già trovati legati a malattie neoplastiche.

Avvalendoci di particolari tecnologie possiamo notare differenze tra l’espressione genica di geni e di micro-RNA tra inidividui sani e malati per individuarne le differenze e poter trovare nuove terapie per particolari malattie.

Nell’era post-genomica le applicazioni del progetto genoma umano sono dunque la patogenesi molecolare, in cui andiamo a studiare le alterazioni geniche che possono causare malattie ma anche la regolazione e l’espressione genica che può essere associata alle malattie, attraverso l’utilizzo di tecnologie che riescono a dare una visione dell’intero genoma umano sotto vari aspetti: in quest’ultimo caso dobbiamo studiare la trascrittomica (studio di tutti gli RNA cellulari) che ci dà informazioni sull’espressione degli RNA cellulari di una popolazione cellulare (sia RNA messaggeri che micro-RNA), la proteomica (studio di tutte le proteine) ci dà informazioni sulle proteine trascritte da una popolazione cellulare mentre la metabolomica (studio di tutti gli intermedi metabolici) ci dà indicazioni sugli intermedi metabolici di una popolazione cellulare.

Per individuare gli RNA messaggeri espressi in una popolazione cellulare, possiamo avvalerci di un microchip chiamato DNA-microarray in cui sono presenti le sonde per tutti gli RNA messaggeri umani, in cui andiamo ad inserire gli RNA messaggeri che vanno ad ibridare quelli delle sonde. Su un grafico al computer ciò che si ibridizza viene espresso su un grafico al computer (quanto e quali RNA messaggeri vengono espressi). Questo è il funzionamento del trascrittoma, che ci dà il profilo di espressione genica della cellula che siamo andati a studiare. Questo studio serve per definire i meccanismi molecolari che definiscono i processi di differenziamento e di proliferazione della cellula, il processo di apoptosi e la risposta cellulare ai farmaci. Confrontando una popolazione cellulare sana e neoplastica troviamo l’espressione genica differenziale che potrebbe essere la causa della malattia.

La Farmacogenomica studia la risposta cellulare dei pazienti ai farmaci, che possono essere commercializzati se presentano minimi effetti collaterali e poche resistenze. Per i farmaci tumorali si hanno invece molti effetti collaterali e molte resistenze, per questo se un determinato genoma è resistente a determinati farmaci possiamo agire di conseguenza ed andare ad operare una terapia corretta che non preveda l’utilizzo di quei determinati farmaci.

La diagnostica ora fa sempre più riferimento alla diagnosi molecolare, con cui correliamo le nostre diagnosi alle alterazioni geniche per predisposizioni di malattie, sia neoplastiche che metaboliche. Attraverso i test genetici viene sequenziato il gene di un paziente per valutarne le eventuali alterazioni.
I geni BRCA1 e BRCA2 sono legati alla predisposizione di contrarre il cancro alla mammella o il cancro all’ovaio, e sono geni che partecipano al meccanismo di riparo del DNA, attraverso quattro sistemi piuttosto complessi che riparano il DNA quando va incontro a mutazioni. Se c’è chi ripara il DNA il cancro è meno facilitato come predisposizione, in quanto per instaurarsi in un organismo ha bisogno di un’alterazione genetica.
Se uno di questi due geni è alterato la persona viene esposta al cancro alla mammella e al cancro ovarico, ma grazie alla diagnosi molecolare si può trovare facilmente la situazione anomala ed operare controlli di diagnosi precoce, molto importanti in questo tipo di casi. I geni MSH1 e MSH2 sono geni che partecipano al riparo del DNA per il cancro al colon, mentre il gene LDLR trascrive per il recettore di particolari lipoproteine che trasportano colesterolo e trigliceridi alle cellule che li utilizzano, che attraverso particolari recettori sono in grado d’internalizzare queste molecole, ma se il recettore è mutato le lipoproteine rimangono nel sangue, provocando la formazione delle placche eterosclerotiche all’interno del sangue, che possono provocare il restringimento delle arterie con una predisposizione a gravi danni come emboli, infarti e malattie cardiovascolari.
Con questi problemi si deve cambiare lo stile di vita o si devono prendere farmaci che abbassano il livello di colesterolo nel sangue.

 

La terapia genica un gene è difettoso o assente e non produce la corrispondente proteina, è possibile attraverso la terapia genica trasferire la porzione funzionante del gene nell’organismo del paziente in modo da rimediare al difetto. Più precisamente per correggere in modo specifico il difetto si utilizzano dei trasportatori che portano all’interno della cellula il gene sano. Tali trasportatori sono essenzialmente dei vettori virali, cioè dei virus modificati in laboratorio in modo da non essere più infettanti ma in grado di trasportare all’interno del DNA dell’organismo un frammento di DNA virale. Viene così sostituito il gene difetto o assente.
Nelle malattie genetiche facciamo ciò, una distrofia muscolare è data dall’alterazione di un gene chiamato distrofina, che va sostituito. Perchè il DNA entri nella cellula dobbiamo introdurlo attraverso un vettore che lo possa esprimere all’interno della cellula che possiede la forma alterata, in particolare i vettori sono virus modificati (inattivati dal punto di vista patologico) che contengono al loro interno il gene sano.
Mettiamo a contatto in vitro la cellula con il vettore, il virus entra nella cellula ed il DNA del vettore virale viene integrato nella cellula per poi venir espresso come un gene cellulare normale, con la corrispondente proteina. La prima malattia genetica curata è stata la deficienza da adenosina deaminasi, un enzima coinvolto nel metabolismo delle purine la cui assenza provoca una patologia che provoca la morte dei linfociti T ed una grave immunodeficienza. Un bambino di quattro anni fu guarito attraverso l’iniezione in vitro in pochi linfociti del gene ADA normale che ha ristabilito una situazione praticamente normale. In realtà ci furono anche diversi effetti collaterali nell’utilizzo della terapia genica, nel trattamento di un altra immunodeficienza i vettori virali si erano inseriti in una posizione del genoma in modo da deregolare un gene che avrebbe poi causato la leucemia nei bambini che avevano seguito la terapia genica. In questi anni si è molto sviluppata la ricerca sulla terapia genica attraverso l’utilizzo di vettori più sicuri.

L’evoluzione
Darwin, dopo le sue osservazioni ha scoperto che effettivamente le diverse forme di vita sulla terra sono tutte correlate, e questo lo si può vedere anche con il progetto genoma, infatti abbiamo quasi gli stessi geni di una pianta, e per questo possiamo dire che tutti gli organismi sono correlati.

Quindi partendo da un progenitore comune gli organismi si sono evoluti separatamente nei millenni, dando origine a forme di vita primordiali, che hanno poi dato vita agli organismi che tutt’ora popolano la terra.