Science, 9 Jul 93, Vol. 261, pg, 160 - Virginia Morell - La possibilità di estrazione del DNA dai resti dei dinosauri, come pubblicizzata dal recente film di Steve Spielberg Jurassic Park, ha una sua base scientifica. Nelle ossa fossili di dinosauro le strutture organiche sono state sostituite da minerali e silice, ma in pochi casi rimangono dei residui organici protetti dalla struttura ossea dall’acqua e dall’ossigeno che sono letali per il DNA. Le ossa potrebbero allora contenere delle cellule di sangue con il relativo DNA. L’estrazione del DNA da resti organici è un processo noto, è facile però la contaminazione con batteri o funghi e si deve quindi verificare che le sequenze trovate siano simili a quelle degli uccelli e dei coccodrilli.
Science, 16 Jul 93, Vol. 261, pg, 291 - Robert Pool - Una questione molto controversa è se l’orientamento omosessuale sia determinato da fattori culturali o genetici. Parecchi studi su gemelli hanno mostrato che esiste una importante componente genetica che predispone all’omosessualità. I letgami familiari si trovano più dal lato materno che paterno e la ricerca genetica è stata condotta quindi sul cromosone X. Il legame genetico dell’omosessualità pare sia concentrato nella regione designata come Xq28. Ora la ricerca dovrebbe cercare quali proteine sono prodotte da questi geni e quali sono gli effetti.
Science, 29 Oct 93, Vol. 262, pg. 655 - Joshua Fischman - Il miglior conservante dell’antico DNA è l’ambra. Si sono conservati infatti campioni di insetti caduti nell’ambra da 120 a 135 milioni di anni fa con il DNA in ottimo stato. L’ambra ha infatti un alto contenuto di zuccheri che porta via per osmosi l’acqua dagli insetti morti e protegge il DNA che si degrada a contatto con l’acqua. Al processo di conservazione partecipano anche i terpeni ed i composti fenolici contenuti nella resina.
Science, 17 Jun 94, Vol. 264, pg. 1686 - Charles C. Mann - Nel 1924, 70 anni fa, il dermatologo tedesco Hermann Siemens pubblicò i risultati delle sue ricerche sui gemelli per verificare se i comportamenti umani sono ereditari o dovuti all’ambiente paragonandone i risultati scolastici. A quel tempo il movimento eugenetico era al suo apice anche negli USA e questi risultati furono sfruttati in senso razzista. Dall’ultimo dopoguerra la genetica del comportamento è soggetto di accese polemiche. In realtà il problema è complesso perché l’influenza genetica si combina con fattori non genetici dovuti all’ambiente. Molte conclusioni dei genetisti si sono dimostrate affrettate come quando nel 1965 si suggerì che i maschi possessori di un cromosone in più, cioè quelli con XYY invece che con il normale XY, erano più aggressivi; nel 1993 il legame venne considerato non provato. Anche il legame dell’alcolismo con il gene DRD2 è considerato ora dubbio. Recentemente si è però trovato un legame fra omosessualità e regione Xq28 del cromosone X. Nella ricerca dei disordini psichiatrici si riconosce che questi coinvolgono molti geni, sono cioè poligenici ed il meccanismo è molto complesso.
Science, 17 Jun 94, Vol. 264, pg. 1700 - Thomas J. Bouchard Jr. - L’idea che i fattori genetici influenzino il comportamento inclusa la personalità è molto antica e Darwin osservò che fosse provata dal successo nella domesticazione degli animali. La personalità viene caratterizzata da 5 aspetti: carattere estroverso, neuroticismo, coscienza, amabilità, apertura mentale. Le analisi eseguite fino al 1980 su gemelli monozigoti ed eterozigoti dava un’influenza genetica del 50%. I dati più recenti hanno invece abbassato questa percentuale al 40%.
Science, 2 Sep 94, Vol. 265, pg. 1352 - Rachel Nowak - Anche se non è la prima volta che test di DNA vengono presentati in un’indagine giudiziaria, quella contro il campione sportivo O..J. Simpson, accusato dell’omicidio della moglie e del suo amico, ha avuto certo una grande risonanza, e sono state presentate come prove a carico i risultati “preliminari” di due differenti test di DNA sul sangue dell’accusato. Ci si aspetta una ricusazione del test per invalidità da parte della difesa e questo potrebbe avere effetti sull’ammissibilità di questi test in altri casi di giudizio. Due sono i motivi tecnici dell’opposizione: il fatto che la comunità scientifica non ha raggiunto ancora un consenso su come calcolare l’identità fra due campioni e l’insufficiente sicurezza sull’assenza di errori dalle prove di laboratorio. Ci sono due differenti tipi di analisi che si possono eseguire sul DNA. La prima è detta Restriction Fragment Length Polymorphism (RFLP) che si esegue su una parte non codificata, ma molto variabile del genoma ed è la preferita perché molto più sensibile. La seconda usa la Polymerase Chain Reaction (PCR) che amplifica alcuni segmenti di un gene. La RFLP ha un’affidabilità di uno a centomila o di uno a un milione. È necessario che il DNA sia integro ed il processo è piuttosto complesso e può richiedere settimane ed anche mesi per completarlo.
Science, 30 Sep 94, Vol. 265, pg. 2008 - Peter Aldhous - Con la recente identificazione del gene BRCA1 che ingenera suscettibilità all’insorgere dei cancro del seno per un 80% dei casi, si è fatto un passo avanti nella caccia ai geni responsabili di malattie. Il problema è che per molte malattie non c’è un solo gene ad avere una forte influenza e, quando l’influenza è piccola, la ricerca è difficile. La ricerca si fa analizzando i geni di persone appartenenti a famiglie affette dal male e fa uso di due tecniche per accelerare il processo. La prima tecnica è nota come Genomic Mismatching Scanning (GMS) e la seconda Representational Difference Analysis (RDA) ed ambedue permettono di scandire l’intero genoma in un unico processo. Il metodo RDA compara due genomi ed identifica le regioni che presentano differenze fra i due, il GMS seleziona le regioni uguali. RDA è usato spesso nella ricerca delle mutazioni generate dal cancro per confronto con il DNA delle cellule sane dello stesso paziente. Nella ricerca dei geni responsabili delle malattie viene comparato il DNA degli individui affetti dalle malattie con quello di membri della stessa popolazione che non sono affetti. Il metodo GSM è ancora sperimentale, ma presenta una risoluzione teorica molto più spinta e permette di comparare famiglie che hanno tratti genetici comuni.
Science, 2 Dec 94, Vol. 266, pg. 1477 - Jean Marx - Nella rivista Nature del 1° dicembre il genetista molecolare Jeffrey Friedman della Rockfeller University ha annunziato di aver identificato e clonato il gene che causa l’obesità nei topi. Il gene, chiamato ob (obese) è un segmento da 650 k-basi nel cromosoma 6 del topo. Anche l’uomo ha un gene comparabile all’84% a quello del topo e si pensa di poter arrivare ad un trattamento dell’obesità con gli ormoni prodotti da questo gene. Il gene agisce sul meccanismo che usa l’organismo per regolare le riserve di grasso.
Science, 17 Feb 95, Vol. 267, pg. 984 - David M. Hunt - Quando John Dalton descrisse nel 1794 la sua cecità al colore, poi chiamata daltonismo, suppose che il suo umore vitreo fosse tinto di blu e quindi assorbisse le lunghezze d’onda più grandi e lasciò istruzioni affinché i suoi occhi fossero esaminati dopo la sua morte. Questo esame mostrò però che il suo umore era perfettamente trasparente. L’ipotesi più comune che si fece fu di un difetto cerebrale. Adesso si sa che la visione dipende da tre tipi di fotopigmenti: quello intorno a 420 nm (SW), quello intorno a 530 nm (MW) e quello intorno a 560nm (LW). La cecità al colore normalmente dipende dalla mancanza del pigmento MW, ed in questo caso si chiama deuteranopia, o del LW, ed allora si chiama protanopia. Dalla biologia molecolare si è scoperto che questi difetti sono ereditati e dovuti a difetti nei geni del cromosoma X. Dal DNA di Dalton l’analisi ha mostrato che era affetto da deuteranopia anche se le antiche testimonianze fanno pensare che fosse affetto da protanopia.
Science, 24 Mar 95, Vol. 267, pg. 1766 - Marcia Barinaga - Dall’università di Basilea viene riportato che quando in un moscerino della frutta un gene, detto eyeless, viene attivato in aree del corpo diverse dalla testa, si generano degli occhi aggiuntivi completamente sviluppati anche sulle ali , sulle zampe e sulle antenne. Il gene eyeless è simile a quelli che hanno un ruolo nella formazione degli occhi nei topi e negli uomini e le cui mutazioni provocano difetti.
Science, 28 Jul 95, Vol. 269, pg. 475 - Marcia Barinaga - Dopo la scoperta del gene dell’obesità nel topo, gene chiamato ob, è stato verificato che la proteina prodotta dal gene quando viene iniettata nel topo gli fa perdere peso. Il risultato però non si può trasferire in modo semplice nell’uomo perché l’obesità umana è una malattia poligenica e molto lavoro dovrà essere compiuto prima di trovare il modo di combatterla.
Science, 10 Nov 95, Vol. 270, pg. 919 - Random Samples - Quattro diversi gruppi di ricerca hanno individuato nel cromosoma 6 la presenza di geni che predispongono gli individui al rischio di schizofrenia. Altri ricercatori considerano però responsabili anche il cromosoma 22 il 9 ed il 20.
Science, 5 Jan 96, Vol. 271, pg. 29 - Marcia Barinaga - Il gene dell’obesità dei topi, scoperto 13 mesi fa da Jeffrey Friedman della Rockefeller University genera una proteina, la leptina, che provoca nel topo la perdita di peso. Recentemente sembra che si siano trovate delle molecole di ricettori che mediano l’effetto della leptina. Questi ricettori sono diversi nel topo e nell’uomo e devono interagire con il cervello che controlla il metabolismo.
Science, 16 Feb 96, Vol. 271, pg. 913 - Marcia Barinaga - Dopo la scoperta del gene dell’obesità (ob) del topo e dei ricettori della leptina, è stato trovato che questi ricettori sono prodotti da un altro gene detto db. Sembra inoltre che negli uomini l’obesità sia dovuta, non ad un difetto del gene ob, ma a un difetto dei ricettori della leptina. Una maggiore comprensione del meccanismo dei ricettori potrebbe portare alla scoperta di nuove medicine per combattere l’obesità.
Science, 5 Jul 96, Vol. 273, pg. 54 - S. Michael Jazwinski - Lo studio della longevità ha messo in evidenza alcuni legami con i geni degli organismi. Nel moscerino della frutta (Drosophila) una selezione su molte generazioni, per ottenere una riproduzione ritardata, ha portato ad una maggiore longevità. Nei microrganismi del lievito, che si riproducono per divisione, la cellula madre muore dopo un certo numero di divisioni e quindi deve esistere una memoria molecolare. Nel nematode Caenorhabditis elegans sono state identificate delle regioni del genoma associate alla longevità. In particolare la longevità sembra legata alla resistenza agli stress ossidativi che provocano dei danni cumulativi che aumentano con l’età. Un alto livello di risposta immunitaria è correlato con la durata della vita e dipende da un certo numero di geni. La riserva di vita è quindi connessa alla capacità di resistenza del metabolismo agli stress, ma su questo ha anche influenza l’ambiente durante lo sviluppo.
Science, 18 Apr 97, Vol. 276, pg. 361 - Random Samples - Per molto tempo si è creduto che l’ambra potesse preservare per milioni di anni il DNA di organismi viventi. Ora ricercatori del Natural History Museum di Londra, dopo 2 anni di prove su organismi incapsulati nell’ambra non hanno trovato tracce di DNA. Questo risultati mettono in dubbio risultati contrari riportati nel 1992. Il DNA comincia a degradarsi entro poche ore dalla morte e solo organismi rimasti in ambienti freddi e secchi, come il caso dell’ice-man di 5000 anni fa trovato nelle Alpi Tirolesi, possono conservare tessuti e DNA.
Science, 2 Jan 98, Vol. 279, pg. 28 - Ann Gibbons - Dopo l’esumazione, nel 1991, dei corpi dello Zar Nicola II e della sua famiglia fucilati nel 1918, essendo andati perduti due corpi, non si era sicuri dell’identità dei rimanenti. Con l’analisi del DNA, eseguita nel 1992, sorse poi un altro mistero. Lo zar aveva due tipi di mitocondrial DNA (mtDNA) ereditati dalla madre mentre la maggior parte degli uomini ne porta solo uno, lo stesso è stato verificato per il fratello dello zar, il Granduca Georgij Romanov. Questa caratteristica è nota come eteroplasmia e sembra sia un evento frequente che si verifica nel 10-20% degli uomini e poiché si tratta di una mutazione ha influenza sulle teorie evolutive che assumono una frequenza di mutazione del mtDNA molto più bassa basata sulla data di saparazione fra uomini e scimpanzé stimata a 5 milioni di anni fa. Questo impone una frequenza di mutazioni di una ogni 300-600 generazioni cioè una ogni 6000-12000 anni. Ora un’indagine condotta sequenziando 610 coppie di basi del mtDNA di 357 individui di 134 famiglie diverse, corrispondenti a 327 generazioni, si sono trovate 10 mutazioni corrispondenti ad una frequenza di una ogni 40 generazioni cioè una ogni 800 anni. Tuttavia l’intervallo di tempo coperto dall’osservazione influenza il risultato, il valore medio delle mutazioni su lungo termine risulta molto più basso di quello a breve termine perché le mutazioni frequenti tendono a cancellarsi. La maggiore frequenza a breve termine potrebbe però influenzare molte datazioni basate sul mitocondrial clock.
Science, 4 Sep 98, Vol. 281, pg. 1432 - Ann Gibbons - Dal punto di vista genetico gli uomini hanno in comune con gli scimpanzé il 98,5% del loro DNA, ciò significa che solo una piccolissima porzione del DNA è responsabile delle capacità dell’uomo di parlare, scrivere, costruire strutture complesse ed avere idee astratte. Genetisti ed evoluzionisti cercano di trovare queste differenze studiando i geni, i cromosomi e la biochimica delle due specie ed il problema è di trovare le poche mutazioni che fanno la differenza. Un primo passo è di scoprire le differenze biochimiche e risalire alla loro origine genetica. Le cellule umane mancano di una particolare forma di acido sialico che si trova in tutti gli altri mammiferi, nell’uomo la molecola manca di un atomo di ossigeno, ma non si sa che cosa comporti e se è legata alla maggiore suscettibilità dell’uomo a certe malattie o allo sviluppo del cervello. I ricercatori però credono che non ci può essere un singolo gene che ci rende umani. Le scimmie hanno 24 coppie di cromosomi mentre gli uomini ne hanno 23 e di questi 18 sono virtualmente identici a quelli delle scimmie, ma il significato funzionale di queste differenze è sconosciuto. Più determinanti potrebbero essere variazioni nei geni che regolano lo sviluppo del cervello dando più tempo alla formazione di strutture più complesse. Ci si chiede anche se si potrà identificare un gene che controlla lo sviluppo della laringe e a quel punto si potrà pensare di produrre uno scimpanzé transgenico.
Science, 24 Dec 99, Vol. 286, pg. 2433 - Michael Hagmann - Negli ultimi anni è stato fatto molto lavoro su una rete di proteine dette “checkpoints” che aiutano le cellule a rivelare i danni ed a bloccarle. Ora è stato trovato un legame tra le mutazioni di una di queste proteine ed il cancro. Si tratta del gene checkpoint chiamato hCHK2 che causa alcuni casi della sindrome di Li-Fraumeni (LFS), una suscettibilità ereditaria ad alcune specie di cancro: polmone, cervello e certe leucemie. Si è trovato che anche le mutazioni del gene soppressore del cancro p53 produce le stesse condizioni. La proteina p53 blocca la divisione delle cellule in risposta ad un danno dei cromosoni, ma nella catena che trasmette il segnale del danno ha importanza la presenza del gene hCHK2 mutato e ciò è stato trovato in famiglie con LFS che avevano il p53 intatto. Poiché pazienti di LFS con mutazioni nel p53 o hCHK2 sono indistinguibili, ci deve essere un legame fra queste due proteine.
Science, 5 Oct 2001, Vol. 294, pg. 30 - Elizabeth Pennisi - Il centromere è uno dei più grandi enigmi del genoma. È stato notato 120 anni fa al microscopio come una cintura al centro del cromosoma e fino ad ora biologi e genetisti non ne hanno compreso il funzionamento. Il centromere è essenziale per ordinare i cromosomi durante la divisione delle cellule; se qualcosa non funziona correttamente può derivare cancro e difetti nello sviluppo. Ora i genetisti dell’università dell’Ohio hanno dimostrato che il centromere è costituito da tratti di 3 milioni di coppie di basi ed ha subito profondi cambiamenti durante l’evoluzione dei primati. Vi sono tratti di genoma ripetuti a lungo che dovrebbero avere una funzione, ma non è stato possibile risolvere il centromere con le macchine automatiche e deve essere sequenziato manualmente. Per questo motivo il centromere è rimasto fra i gap delle sequenze anche del genoma umano.
Science, 22 Aug 2003, Vol. 301, pg. 1040 - Elizabeth Pennisi - Per decadi i ricercatori hanno contato i geni umani, ma i numeri non corrispondono mai. La prima stima di 100000 è scesa a 30000 alcuni anni fa e recentemente si è attestata a 20000. Questa estate i ricercatori hanno ammesso di essere lontani dallo stabilire una cifra definitiva ed hanno posto il numero dei geni che codificano le proteine a 24500. Il problema è che è difficile definire un gene. A volte un gene è molto più corto di quanto ci si aspetta, a volte è difficile stabilire se un tratto di codice è un singolo gene o due che si sovrappongono e non si è d’accordo sulla classificazione del gene. Sono stati progettati programmi al computer per analizzare il DNA e rivelare i geni. Gli algoritmi sono molto sofisticati e tengono conto di tutto quello che si conosce dei geni e delle proteine e di come i geni sono nascosti nel DNA. Molti dubbi si hanno sulla cosiddetta materia oscura, cioè le regioni del genoma senza geni apparenti che potrebbero contenere sequenze di codici nascosti. Nel 1930 si è suggerito che ogni gene codifica una proteina, ora si sa che un gene può generare più proteine o trascrivere un RNA. Le regioni che codificano una proteina in un gene sono dette exoni, occupano solo il 2% del DNA e si possono perdere nel restante 98%, alcuni geni contengono un solo exone e sono piccoli, altri sono detti pseudogeni perché non funzionano per alcune aberrazioni del loro DNA. Fra i 24500 geni 3000 potrebbero essere pseudogeni. Si deve aggiungere che parte del genoma si è dimostrato impenetrabile ai migliori programmi di predizione dei geni e vi sono incluse le regioni di “materia oscura” che apparentemente mancano di geni. I programmi di predizione dei geni tipicamente lavorano in due modi. Uno è partendo dall’inizio cioè riconoscendo nel DNA delle sequenze di inizio e di fine dei geni. Un altro metodo è per comparazione, per similitudine con altri geni e con le regioni che codificano proteine. Ambedue i metodi generano dei dilemmi; il primo può classificare come geni anche quelli che hanno similitudini molto vaghe nelle sequenze e quindi da un numero in eccesso, il secondo non riconosce i geni sconosciuti e la stima è in difetto. Altri programmi trasformano le sequenze di DNA in quelle delle proteine e le confrontano con le proteine esistenti. Le proteine sono raggruppate in famiglie con sequenze di amminoacidi e quindi di DNA molto simili e può risultare vantaggioso il confronto di interi genoma invece di tratti limitati. Il problema della predizione dei geni ha qualche cosa di comune con quello dei linguisti che cercano di estrarre da un linguaggio caratteristiche come sintassi e grammatica mediante metodi statistici. I programmi sono diventati ora molto sofisticati, ma si è praticamente raggiunta una saturazione e per fare ulteriori progressi bisogna attendere una maggiore comprensione della biologia.
Science, 22 Oct 2004, Vol. 306, pg. 632 - Elizabeth Pennisi - I biologi molecolari hanno sequenziato il genoma umano, ma non hanno ancora interpretato il suo codice. I geni, chiave dello sviluppo e del funzionamento di tutti gli organismi non sanno spiegare da soli cosa rende mucca una mucca e grano il grano. Gli stessi geni si trovano in organismi molto diversi come il topo e lo jellyfish. Recentemente nuove scoperte di vari ricercatori hanno mostrato che sono i sistemi di controllo del genoma e non i soli geni che fanno il più. L’evoluzione della diversità nelle forme degli animali è dovuta ai meccanismi di regolazione dei geni; commutare un gene in tempi e luoghi diversi o sotto diverse circostanze può causare variazione nelle dimensioni, colori e comportamenti favorevoli al successo della specie e, a lungo termine, all’evoluzione di nuove specie. I ricercatori cominciano a localizzare le regioni di regolazione distribuite lungo la catena del DNA. Altri indagano sui fattori di trascrizione, proteine che interagiscono e guidano l’attività dei geni, e su come portano i geni a commutare al momento giusto e per una certa durata. Presso il Caltech di Pasadena si studiano le interazioni di regolazione nello sviluppo degli embrioni e come queste interazioni cambiano nel corso dello sviluppo. Nascosto nel codice del DNA c’è quindi un codice di regolazione infinitamente più complicato del codice genetico. Possiamo ora predire le proteine del codice genetico, ma non il modo di esprimersi dei geni guardando semplicemente la sequenza. La complessità del genoma è molto più grande di come si è supposta negli ultimi 20 anni. Nel laboratorio di biologia molecolare di Cambridge, Francis Creek, uno degli scopritori della struttura del DNA, Sidney Brenner ed i suoi colleghi hanno dimostrato nel 1966 che i geni sono scritti con un codice di tre unità ciascuno dei quali specifica un particolare amminoacido, combinando questi codici in modi diversi nella sequenza il genoma codifica migliaia di proteine. I biologi si focalizzarono su queste sequenze e per decenni le regioni di codice fra i geni furono considerate spazzatura. Di conseguenza la funzione di regolazione dei geni fu trascurata fino agli inizi degli anni ’70 quando Allan Wilson ed i suoi studenti a Berkeley dimostrarono che umani e scimpanzé sono quasi simili nei loro geni e suggerirono che ciò che rende le due specie così differenti stia nel dove e quando questi geni si attivano. Solo due anni fa gli esperimenti cominciarono a sviluppare questa idea. Certi geni sono più attivi nel cervello umano piuttosto che in quello degli scimpanzé. Le innovazioni nelle specie iniziano con le varianti nei tipi di regolazione. Nelle vicinanze dei geni si trovano tratti di DNA di regolazione, detti spesso moduli fatti di proteine, e quelli che stimolano l’attività dei geni sono detti enhancer mentre quelli che la smorzano sono detti silencer; ambedue sono difficili da individuare perché sono piccole parti della sequenza a distanze variabili dai geni che regolano. Si suppone che nell’uomo vi siano circa 100000 enhancer e silencer, ma ne sono noti meno di 100. Si è cominciato a studiare l’architettura e la funzione degli enhancer nel genoma della mosca della frutta. Il primo ad essere studiato è stato un fattore di trascrizione che ha effetto su un gene detto zen e dalla forma della sequenza furono scoperti altri enhancer responsabili dello sviluppo di altre parti della mosca della frutta. I risultati sono di 2 anni fa. Il secondo passo è stato di capire come gli enhancer organizzano lo sviluppo dei tessuti embrionali. Si è visto che l’attività dei geni varia lungo l’asse dorsale-ventrale portando ad una differenziazione dei tipi di tessuto e sembra che il genoma usi lo stesso gruppo di fattori di trascrizione per regolare geni diversi solo cambiando l’ordine e la spaziatura delle proteine o dove si trovano lungo l’enhancer. Alterazioni nell’ordine e nella spaziatura nell’enhancer influenzano il modo con cui il gene lavora in specie diverse e quindi agisce nell’evoluzione. Un esempio è stato lo studio degli effetti di un enhancer che agisce sul gene chiamato Hoxc8, gene che si trova in molti diversi organismi e che agisce sul numero e la forma delle vertebre toraciche. L’enhancer ha una sequenza di 200 coppie di basi e sarebbe il responsabile del comportamento del gene Hoxc8 che produce 7 vertebre nel pollo, circa 200 nel serpente e si trova nel topo, nel puffer fish e nello zebrafish. Lo starfish e l’orca marina hanno avuto un comune antenato 500 milioni di anni fa ed hanno ancora embrioni simili e, nonostante le differenze fra le forme adulte, il circuito genetico è quasi identico in ambedue le specie; variano gli enhancer ed i fattori di trascrizione che cambiano il piano di evoluzione del corpo e la sua architettura. Si comincia così a decodificare il genoma di regolazione e si apre una nuova visione in cui gli elementi di regolazione, con enhancer e silencer, acquistano una maggiore importanza nel processo di innovazione genetica, ma ancora si è lontani dall’aver capito come le informazioni sono scritte nelle sequenze.
Science, 2 Sep 2005, Vol. 309, pg. 1468 - Elizabeth Culotta - Gli scienziati hanno prodotto una sequenza approssimata del genoma dello scimpanzé e ne hanno fatto un confronto puntuale con quello umano. Il rapporto conferma la stupefacente similitudine molecolare fra noi e lo scimpanzé. In media le proteine differiscono di solo 2 amminoacidi ed il 29% di esse sono uguali. Lo studio rivela che buona parte del materiale genetico (il 2,7% del genoma) è stato inserito o cancellato da quando umani e scimpanzé si sono separati nelle loro strade evolutive 6 milioni di anni fa, ma da questo non si può capire perché noi siamo così differenti come fenotipo dagli scimpanzé. Il rapporto invece va a fondo sulle differenze. La differenza totale in termini di numero di basi assomma al 4% del genoma includendo 35 milioni di sostituzioni di una singola base e 5 milioni di inserimenti o cancellazioni. Quindi in qualche parte di questi 40 milioni di eventi evolutivi si devono trovare i cambiamenti che ci rendono umani, ma non si sa dove. Circa metà delle cancellazioni nelle regioni alla fine dei cromosomi sono uniche degli umani; molte delle inserzioni contengono duplicazioni di geni che in altri organismi producono novità evolutive. Si sono cercati i geni che hanno subito un’evoluzione più rapida e si sono identificati 585 geni che negli uomini si sono evoluti più rapidamente, compresi quelli relativi alla difesa contro la malaria e la tubercolosi. Si è scoperto un certo numero di regioni del genoma umano che hanno potuto favorire recentemente il nostro sviluppo selettivo. Una di queste regioni contiene il gene FOXP2 che si suppone importante nell’evoluzione della parola. La maggioranza dei cambiamenti fra umani e scimpanzé sembra sia neutra. Una scoperta importante è che gli elementi di più rapida evoluzione nelle proteine sono stati i fattori di trascrizione. Trent’anni fa si è proposto che un’alterazione nella regolazione dei geni potrebbe risolvere il paradosso di come poche varianti possano produrre grandi differenze anatomiche e di comportamento. Un altro articolo sulla rivista Nature affronta la controversia sul destino dl cromosoma Y che potrebbe svanire in 10 milioni di anni. Una regione del cromosoma Y dello scimpanzé, che una volta conteneva geni funzionali uguali a quelli del cromosoma X, sta subendo nel tempo cambiamenti distruttivi, ma confrontando il cromosoma Y umano, si è trovato che questo non ha perso un solo gene in 6 milioni di anni.
Science, 12 May 2006, Vol. 312, pg. 870 - Carl Zimmer - Gli scienziati che si interessano alla storia della vita non hanno mai saputo come classificare i virus. Dei tre domini della vita, gli Eubacteria includono i batteri come l’Escherichia coli, gli Archea includono i microbi meno familiari, ma non meno comuni, e gli Eucarioti includono i protozoi, gli organismi multicellulari e noi stessi. Da questo albero rimane isolata una quarta branca costituita dai virus. Un gran numero di scienziati riconosce che nella storia dell’evoluzione della vita bisogna includere i virus. Essi sono estremamente abbondanti nella biomassa degli oceani, ma sono anche estremamente diversificati geneticamente perché sono capaci di acquisire geni dai loro ospiti e possono trasferire geni in altri ospiti iniziando nuovi percorsi evolutivi. Patrick Forterre dell’Università di Paris-sud di Orsey, Francia, crede che i virus siano alla base dell’evoluzione; risalendo alle origini dei nostri geni si trovano sempre i virus. Forterre ha elaborato in molti anni una teoria. Negli anni ’70 ha iniziato studiando la replicazione del DNA. Si era scoperto che alcuni batteri non erano affatto batteri, ma costituivano una nuova branca che divenne nota come gli Archea e Forterre scoprì che essi usano degli speciali enzimi per replicare il DNA, che funzionano in modo diverso da quelli dei batteri e degli eucarioti. Intanto altri scienziati avevano studiato gli enzimi di replicazione del virus T4 batteriofago che copia il DNA in un modo ancora diverso. Molti scienziati pensavano che i virus fossero solo frammenti genetici sfuggiti e che non fossero organismi reali. Erano parassiti di altri organismi per fare copie di sé e non avevano metabolismo. Forse erano un’evoluzione di geni singoli o resti di un dominio sparito. Nel 1985 Forterre propose che i virus si erano originati da una cellula primitiva precedente l’origine dei tre domini. I progressi nel sequenziare il DNA portarono altre informazioni sul genoma dei virus e Forterre si convinse che i virus erano molto antichi. L’analisi del DNA che codifica gli enzimi della replicazione mostrò poi che le sequenze sono diverse negli archea e negli eucarioti e che queste differenze si erano prodotte i lunghi tempi di evoluzione. Si propose anche che il DNA di replicazione si fosse evoluto due volte, una volta nei batteri ed una volta nel progenitore comune degli archea e degli eucarioti. Forterre propose che i geni della replicazione del DNA nei batteri fossero stati donati dai virus e si cominciò a pensare che lo stesso fosse capitato agli eucarioti. Si aprì un nuovo scenario e Forterre favorì la teoria che gli organismi basati sul DNA discendevano da quelli più semplici basati su RNA, già capaci di supportare la vita assorbendo i nutrienti, replicandosi ed avendo capacità di evoluzione. Gli organismi a RNA si sono evoluti in cellule capaci di replicarsi e di produrre le loro proteine e si formarono i primi virus che divennero subito parassiti degli altri organismi. L’evoluzione della vita, da quella basata su RNA a quella del DNA fu dovuta al fatto che il DNA è più stabile del RNA e permetteva ai geni di diventare più lunghi e più complessi, ma non è facile spiegare come avvenne il cambiamento. Secondo Forterre possono essere stati i virus ad adottare il DNA per resistere all’attacco dei loro ospiti ed a trasferirlo poi ai loro ospiti. A questo punto si ebbe la transizione completa dalla vita RNA a quella DNA perché la selezione naturale favorì dovunque il DNA. Quindi i virus si sono formati nel mondo RNA e dopo hanno introdotto il DNA. Gli eucarioti si sono evoluti dagli archea dopo che questi avevano acquisito il DNA. Ancora si conoscono troppi pochi virus fra cui i patogeni umani e quelli che infettano i batteri usati nell’industria alimentare. Bisogna aumentare la nostra conoscenza dei virus che, essendo così antichi, devono avere una grande varietà di geni e si potranno scoprire molti interessanti meccanismi molecolari.
Science, 27 Oct 2006, Vol. 314, pg. 578 - Elizabeth Pennisi - I 5 anni per decifrare il genoma da 236 milioni di basi dell’ape europea, Apis mellifera, sono stati pieni di difficoltà. I risultati hanno però ripagato i 170 ricercatori che questa settimana hanno analizzato i dati di questo quinto insetto sequenziato. Il genoma dell’ape da miele, pubblicato nel numero di Nature del 26 ottobre, ha ispirato diversi articoli fra cui quelli di Science. I 10157 geni identificati danno informazioni sul comportamento sociale, la fisiologia e l’evoluzione dell’ape da miele come anche di altri insetti e vertebrati. La sequenza promette inoltre di illuminarci sulle basi genetiche e neurali del comportamento sociale degli animali. Gli alveari delle api sono organizzati intorno ad una regina che depone le uova, accudita da operai che durante la loro vita passano da attività interne all’alveare, come alimentare le larve, ad attività esterne per l’approvvigionamento del cibo e la difesa dell’alveare. Il cervello delle api, con solo un milione di neuroni, è relativamente semplice anche se il comportamento è sofisticato, come ad esempio nelle danze coreografiche che usano per comunicate la locazione dei fiori che forniscono il nettare. Con l’aiuto dei dati del genoma si è cominciato ad analizzare le componenti dei comportamenti sociali e determinare quali dei 5500 geni sono attivi nelle giovani api e quali dipendono dall’età e dai cambiamenti ormonali. Si sono analizzate le aree che controllano circa 3219 geni del cervello, incluse quelli dedicati al comportamento per la ricerca del cibo. Diversamente dagli altri insetti studiati, l’ape ha un insieme di enzimi necessari alla metilazione dei geni, importante per il silenziamento dei geni, come anche nei vertebrati, inclusi gli uomini. I biologi evoluzionisti sono interessati a paragonare il genoma dell’ape con quelli della mosca della frutta, della zanzara e del baco da seta per tracciare l’evoluzione del genoma. Il confronto con le api fossili di 100 milioni di anni fa trovati nell’ambra, potrebbe chiarire come l’ape da miele si sia evoluta dalla vespa predatrice divenendo una pollinatrice. L’analisi genomica suggerisce che api e vespe, detti imenotteri, si sono evoluti da tempi molto antichi. All’università di Colonia, in Germania si sono paragonati 185 geni dell’ape da miele, mosca della frutta zanzara, coleottero della farina, vespa parassita e baco da seta e si è concluso che gli imenotteri hanno subito una completa metamorfosi. Gli studiosi hanno trovato in Africa le origini delle api in generale e dell’ape da miele in particolare e la famiglia comprende 16000 specie, ma esistono 4 gruppi di sottospecie di api da miele, due in Europa, una in Asia ed una in Africa. Analizzando le varianti di single nucleotide polimorphism (SNP), si è trovato che in una migrazione dall’Africa, passando per la Spagna, l’ape si è sparsa nell’Europa centrale ed in Russia; in una seconda migrazione ha colonizzato l’Europa dell’est e poi l’Asia ed i due gruppi europei sono i più diversi della terra. Le api hanno 165 geni ricettori di odori, più del doppio della Drosofila e dell’Anofele, e molte versioni di geni per la pigmentazione per produrre la pappa reale, il nutriente ricco che trasforma le larve in regine. Per certi aspetti le api hanno delle somiglianze con gli umani, più degli altri insetti di cui è noto il genoma. Circa 700 geni sono comuni ad organismi superiori come i nematodi, il lievito ed i mammiferi, non presenti nella mosca della frutta e nella zanzara. Le api hanno anche dei geni orologio, molto simili a quelli dei mammiferi. Ci si aspettano molte altre scoperte dalle analisi future.
Science, 30 Nov 2007, Vol. 318, pg. 1390 - James O. McInerney and Davide Pisani - Si sa da più di 60 anni che i procarioti possono scambiare il loro DNA con i processi di coniugazione, trasformazione e trasduzione. L’acquisizione di geni esterni viene indicata generalmente come trasferimento orizzontale distinto da quello verticale che viene ereditato da un organismo dal DNA ricevuto dai suoi progenitori. La conseguenza è che il DNA di ogni procariota è un mosaico di geni ereditati verticalmente ed acquisiti orizzontalmente. Un team guidato da Rotem Sorek del Department of Energy, nel Joint Genoma Institute, CA, ha compiuto un’analisi empirica su vasta scala della trasferibilità di un quarto di milione di geni, da altre specie di eubatteri ed archeobatteri, nell’eubatterio Escherichia coli. Si ha ora una visione della possibile storia evolutiva dei procarioti che mostra come il trasferimento interspecie dei geni non è ristretto a speciali categorie né ci sono categorie che non possono essere trasferite. Il trasferimento orizzontale nell’evoluzione ha aperto il dibattito sull’Albero della Vita che dipinge l’evoluzione come in albero ramificato in opposizione ad una struttura a rete (Web of Life). Il primo prevede il solo trasferimento genetico verticale, il secondo anche quello orizzontale da specie distanti. Si è proposto che non tutti i geni sono ugualmente affetti da trasferimenti orizzontali e vengono distinte due classi di geni. Una è costituita dagli Informational genes che sono trasferiti più difficilmente e l’altra dagli Operational genes che sono quelli del metabolismo e della biosintesi che sono più facili da trasferire. Sorek ha trovato che fra 246045 geni di 79 specie diverse di procarioti nessuno resisteva al trasferimento nell’E. coli. Tuttavia per certe famiglie il trasferimento era più difficile. L’analisi è stata però limitata al solo E. coli. Il trasferimento orizzontale risulta spesso più facile da specie molto distanti piuttosto che da quelle vicine. Estendendo l’analisi agli eucarioti si dimostra che questi hanno una natura chimerica e quindi la loro evoluzione è meglio rappresentata da una rete piuttosto che da un albero.
Science, 22 Aug 2008, Vol. 321, pg. 1028 - Elizabeth Pennisi - Il Trichoplax adhaerens è a stento qualificabile come un animale. Lungo appena un millimetro e ricoperto di ciglia, è un organismo marino piatto senza stomaco, muscoli, nervi, gonadi e neppure una testa. Si muove scivolando come un’ameba ed il suo strato inferiore di cellule rilascia gli enzimi che digeriscono le alghe, si riproduce per divisione o gemmazione. Tuttavia il suo genoma somiglia sorprendentemente al nostro; il suo DNA, di 98 milioni di basi, include molti dei geni responsabili per guidare lo sviluppo di animali complessi. Lo zoologo tedesco Franz Eilhard Schulze scoprì per primo il Trichoplax più di un secolo fa. Benché molto semplice, senza organi e cellule specializzate, possiede anche dei geni di proteine necessarie a coordinare le funzioni di cellule specializzate. I biologi evoluzionisti riconoscono che questo dimostra come certi geni, con funzioni particolari anche nei mammiferi, hanno una storia evolutiva molto antica senza che ci sia un motivo per la loro comparsa. Nelle piccole differenze dei tipi di cellule, il Trichoplax è più complesso di quanto sembri e giustifica l’esigenza di ricavarne la sequenza, come anche quella di diversi tipi di spugne, per fare un quadro più completo dell’evoluzione nei tempi critici dell’età metazoica.
Science, 28 Nov 2008, Vol. 322, pg. 1314 - Jennifer Couzin - La scorsa settimana, alla riunione annuale dell’American Society of Human Genomics si è parlato dei blocchi di DNA duplicati o perduti nel genoma, noti come CNV (copy number variation). I CNV sono tratti di DNA, costituiti da milioni di basi, individuati in bambini con ritardi mentali e trovati dai genetisti in tutto il genoma ,scoprendo come spesso tutti abbiamo regioni del genoma perdute o in copie extra. Così il nostro genoma si dimostra sorprendentemente plastico e non è chiaro quali di queste irregolarità alterano le funzioni genetiche ed influenzano malattie, come cancro, schizofrenia, autismo, indice di massa corporea e morbo di Crohn. Molti gruppi di ricerca hanno censito i CNV nel genoma del topo in diversi tessuti, inclusi cervello, fegato e cuore. Si indaga se i CNV influenzano l’espressione dei geni e se questa espressione cambia nei tessuti e durante lo sviluppo. I geni localizzati fra i CNV e vicino ad essi tendono ad essere espressi a livelli inferiori. Le ricerche si sono estese a popolazioni africane ed europee cercando ogni 50 coppie di basi ed identificando più i 10000 CNV fra cui 1500 comuni. La Wellcome Trust Case Control Consortium ha scandito il genoma di migliaia di persone, cercando variazioni di singole basi, associate a malattie croniche, di scoprire se certe configurazioni di CNV fossero connesse a particolari malattie o quali CNV, trovati ad esempio nei diabetici, si trovano anche nelle persone sane. Benché i risultati siano spesso confusi, si sono trovati alcuni punti fermi per le malattie neuropsichiatriche. Certe mancanze nel cromosoma 16 causano autismo ed altre sono connesse a ritardi nello sviluppo. Un team ha riferito che alcuni rari CNV erano tre volte più comuni nelle persone affette da schizofrenia. Nonostante le incertezze, i CNV sono divenuti popolari fra i ricercatori nello studio genetico delle malattie. Nell’ultima settimana della riunione si è descritto un CNV trovato in più di 2200 casi di cancro al colon. Una domanda critica è se questi CNV sono ereditati o spontanei. Questi ultimi possono provocare malattie, ma sono meno comuni. Siamo ancora nella fase di apprendimento e molti lavori sono imprecisi e preliminari, ma la raccolta di dati va migliorando.