Genetica medica

Genetica: il futuro della medicina

Scoperta del DNA

Lo studio delle malattie genetiche costituisce un modello anche per l'analisi delle malattie comuni. Nel 1953, la scoperta del DNA come materiale genetico viene solitamente attribuita a Watson e Crick, anche se sarebbe più corretto associarla a Franklin e Wilkins. In verità, già intorno al 1865, il DNA fu isolato da un biochimico svizzero, F. Mischer. Tuttavia, furono Watson e Crick a ricevere il Nobel.

È noto da sempre che i caratteri umani sono trasmissibili. Nel corso dei secoli si riuscì a comprendere che non solo i caratteri, ma anche alcune malattie sono trasmesse a livello familiare. Era nota l'emofilia, ad esempio. Degno di nota è il fatto che presso la popolazione ebraica erano esentati dalla circoncisione i nati da famiglie in cui era noto il problema della coagulazione del sangue. Erano noti i residui di eventuali malformazioni nei nuovi nati, da un matrimonio tra consanguinei.

Scoperte genetiche e il genoma umano

Tuttavia, le ogginotissime ricerche di Mendel restarono per lunghi anni ignorate, fino alla scoperta dei due processi di divisione cellulare: meiosi e mitosi. Nel 2001 si è giunti al sequenziamento del genoma umano. Si è determinato quindi l'ordine dei diversi nucleotidi, le quattro basi azotate che li differenziano, che costituiscono l'acido nucleico. All'interno di questa sequenza sono codificati i geni di ogni organismo vivente, nonché le istruzioni per esprimerli nel tempo e nello spazio. Determinare la sequenza è dunque utile nella ricerca del perché e come gli organismi vivono.

Fondamentale per lo studio dell'azione dei geni, sono risultati gli esperimenti condotti su embrioni di topo. Questi hanno permesso di comprendere il come, il dove e il quando alcuni geni agiscono nel corso dell'embriogenesi. Il nostro genoma potrebbe essere paragonato a un'enciclopedia, nella quale ciascun cromosoma rappresenterebbe un volume; ogni gene costituirebbe una pagina di un testo; ogni codone una parola, ogni base una lettera.

Malattie genetiche

Il 3-5% dei nati è affetto da malattia genetica o su basi genetiche. Negli adulti la percentuale sale al 60%. Per citare alcune malattie su basi genetiche possiamo menzionare il diabete, il tumore e i difetti congeniti. Alcune malattie genetiche si instaurano in seguito a una predisposizione naturale dell'individuo.

Le malattie genetiche pure sono quelle associate all'alterazione dell'informazione contenuta in un singolo gene e sono trasmesse secondo i modelli mendeliani. Le malattie multifattoriali coinvolgono più geni e risentono anche delle influenze ambientali. Anche le malattie infettive hanno relazioni con la genetica. Esse infatti non sono solo dovute a un contatto ambientale con l'agente eziologico, ma sono legate anche a una soggettiva predisposizione associata al nostro "io" immunitario, geneticamente determinato.

La diversità genetica

La diversità, anche quella genetica, è alla base della vita. Qualora tutti gli uomini avessero lo stesso genoma, se le condizioni ambientali mutassero, nessuno sopravvivrebbe. Non esisterebbero uomini il cui genoma fosse "adatto" alle mutate condizioni ambientali. Essendo, invece, la popolazione umana vastissima, in caso di mutate condizioni ambientali sicuramente ci sarebbero uomini il cui genoma potrà essere adatto alle nuove situazioni ambientali, quindi possiamo dire che la diversità è sinonimo di vita. Per tali motivi il sistema di clonazione concepito con modalità di riproduzione è inefficace.

I genomi

Noi possediamo due genomi: nucleare e mitocondriale. Entrambi contengono informazioni, entrambi possono funzionare male; per cui alterazioni di entrambi i genomi possono essere la causa di malattie nell'uomo. I geni non sono isolati nel genoma; esistono geni che possono modificare l'azione di altri geni.

Cenni sull'imprinting

Il discorso mendeliano sulla trasmissione dei caratteri è sempre valido in linee generali, tranne che per alcuni gruppi di geni, ad esempio quelli soggetti a imprinting. L'imprinting, a differenza delle mutazioni che apportano un cambiamento nella sequenza nucleotidica del DNA, è un fenomeno epigenetico che influenza l'espressione genica ma senza alterarne la sequenza. Il processo di imprinting implica che uno dei due alleli di un gene sia escluso dall'attivazione, in base al genitore da cui è stato ricevuto il cromosoma recante l'allele stesso.

L'imprinting può essere quindi:

• Di origine materna, in questo caso viene silenziato l'allele materno ed espresso l'allele paterno.
• Di origine paterna, se viene silenziato l'allele paterno ed espresso quello materno.

La localizzazione dei cromosomi nel nucleo, quindi, non è casuale ma è precisamente determinata.

Studio delle malattie genetiche

Malattie fra loro molto simili possono risultare dall'alterazione di geni tra loro diversi e molto lontani. Può ugualmente accadere che malattie fra loro molto diverse che riguardano organi diversi siano il risultato di mutazioni diverse che riguardano lo stesso gene. Il topo è l'animale più sfruttato per lo studio genetico delle malattie umane in virtù delle enormi analogie fra il suo genoma e quello umano. Relativamente ai geni che codificano per funzioni vitali e fondamentali, sono state riscontrate analogie anche fra il genoma umano e quello del moscerino della frutta.

Espressione genica e ambiente

L'espressione di un gene è la sommatoria fra il genoma e le influenze dell'ambiente. La risposta ai farmaci è individuale; è legata all'“io” metabolico. La vera grande differenza tra la cellula procariotica e quella eucariotica è il fatto che nella cellula procariotica il genoma non è separato dal citoplasma ma vi viene immerso. Il fatto che nella cellula procariotica il genoma non sia separato dal citoplasma ha consentito una più fine regolazione dell'espressione del genoma stesso.

La vera differenza tra le varie specie viventi risiede nella qualità più che nella quantità del DNA. Nei procarioti, la sintesi delle proteine avviene più o meno contemporaneamente con la trascrizione del DNA, per cui la capacità di regolare questa attività è scarsa sia in termini quantitativi che qualitativi. Negli eucarioti, invece, la sintesi proteica è temporaneamente e spazialmente distinta dalla trascrizione del DNA. Il DNA è copiato in RNA, che non è subito un messaggero, ma lo diventerà dopo una maturazione. Solo a questo punto, l'RNA potrà lasciare il nucleo, giungere ai ribosomi nel citoplasma, ed essere tradotto. Tutti questi passaggi sono controllati e regolati sia in termini quantitativi sia qualitativi.

Divisione cellulare

• Per i procarioti si parla di una scissione binaria, che richiama molto vagamente una mitosi.
• Per gli eucarioti, distinguiamo una mitosi e una meiosi. La mitosi garantisce la produzione di cellule identiche alla cellula madre. Questo tipo di riproduzione garantisce il mantenimento della vita ma non la variabilità della stessa. Nella divisione mitotica l'unico modo per avere variabilità sarebbe affidarsi all'evento mutazione; esso tuttavia è qualcosa di raro.

Per cui, nei milioni di anni si è giunti alla riproduzione sessuata che, permettendo la fusione di genomi diversi, garantiva la variabilità e diversità. La mitosi è una divisione conservativa. Facendo incontrare le cellule così com'erano per mescolare le informazioni e per creare una cellula figlia, ad ogni generazione cellulare avremmo avuto il raddoppio del materiale genetico. Per evitare tale problema si è fatto in modo che specifiche linee cellulari, quelle adibite alla riproduzione, avessero un contenuto genomico dimezzato. La meiosi è una divisione riduzionale, perciò associata alla riproduzione sessuata.

Genoma umano

L'uomo ha il genoma organizzato in 46 cromosomi monocromatidici. È un organismo diploide, con riproduzione sessuata avanzata. Conseguenza diretta della diploidia è il fatto che ogni cromosoma non è singolo, ma sono tutti a coppie. Ciò significa che per ogni carattere avremo due informazioni, tranne che per le informazioni associate ai cromosomi del sesso.

I membri di ciascuna coppia di cromosomi, che portano informazioni per uno stesso carattere, vengono detti omologhi. Quindi il nostro genoma è formato da 23 coppie di omologhi; 22 coppie di autosomi più la 23ª coppia di cromosomi sessuali. Solitamente nel caso di un individuo di sesso femminile è possibile parlare di una 23ª coppia di omologhi. I cromosomi del sesso non contengono solo informazioni che riguardano il differenziamento sessuale. (Es. sull'X troviamo informazione per la visione dei colori, ecc., mentre sull'Y troviamo geni che influenzano la taglia dei denti, ecc.).

Ciclo cellulare

Nell'uomo, solo i gameti hanno assetto aploide. Tutte le altre cellule e le stesse cellule che daranno luogo ai gameti sono diploidi e si dividono per mitosi. Sul cromosoma 1 è presente l'informazione per il fattore Rh del gruppo sanguigno. Se entrambi i cromosomi, materno e paterno, hanno la stessa informazione si parla di assetto omozigote. I cromatidi fratelli hanno necessariamente la stessa informazione (derivando dalla duplicazione di un'unica elica di DNA); ciò può non essere vero per i cromosomi omologhi, derivanti da individui diversi.

Una cellula che decide di riprodursi passa da uno stato di quiescenza, in cui è comunque metabolicamente attiva, detto G0, ad uno stato detto G1. G sta per GAP (intervallo). Durante il passaggio da una fase all'altra del ciclo cellulare, vari geni controllano che non ci siano grosse alterazioni a livello del genoma. Qualora tali alterazioni dovessero essere trascritte, l'avanzamento verso i successivi livelli del ciclo cellulare viene impedito e la cellula quindi si ferma. La cellula tenta quindi di riparare i danni ed effettua un nuovo controllo. Qualora il danno venga riparato, la cellula prosegue verso lo stadio S di duplicazione del DNA.

Nel caso in cui il danno non sia stato riparato, la cellula può andare incontro ad apoptosi, eliminazione spontanea. Tutto questo efficace sistema di controllo è finalizzato a non far passare l'errore da una generazione cellulare all'altra. Entrata nella fase di sintesi, la cellula duplica il proprio DNA. Al termine della fase S c'è un'altra fase di controllo simile alla precedente. Qualora non ci siano problemi, la cellula entra nella fase G2. Seguono nuovi controlli prima della fase di divisione.

Mitosi

Nella fase G1 i cromosomi sono monocromatidici; alla fine della fase S troviamo cromosomi dicromatidici. Grazie alla successiva divisione, i due cromatidi si separano nelle due cellule figlie, garantendo la stessa quantità di informazione della cellula madre. La mitosi è una divisione conservativa; da una cellula madre otteniamo due identiche cellule figlie.

La divisione inizia con una spiralizzazione del DNA. Il DNA nella cellula in interfase è una molecola distesa e despiralizzata; è impossibile distinguere i cromosomi. Quindi uno dei primi eventi è questo cambio di conformazione del DNA all'interno del nucleo. Quando i cromosomi sono perfettamente spiralizzati, la membrana nucleare sparisce e i cromosomi vengono a trovarsi nel citoplasma. Essi si dispongono in piastra metafasica, all'equatore della cellula, in fila per uno.

Mentre si verificavano i cambiamenti nel nucleo, nel citoplasma, mediante l'azione dei centrioli, andava organizzandosi il fuso mitotico, che diventa una sorta di briglia che attraversa la cellula da una parte all'altra. Quando sparisce l'involucro nucleare, i cromosomi vengono agganciati alle fibre del fuso, a livello del centromero, punto di unione dei due cromatidi fratelli. L'aggancio del cromosoma alle fibre del fuso è mediato dal cinetocore. Quindi dall'equatore cellulare i cromatidi fratelli vengono tirati e separati, raggiungendo i poli opposti della cellula. Terminata tale migrazione, inizia la fase in cui la cellula si strozza; otterremo così la separazione delle due cellule figlie.

Le fasi della mitosi sono:

• Profase: la cromatina tende a spiralizzarsi; i singoli cromosomi diventano visibili. Esternamente al nucleo i centrioli organizzano il fuso mitotico che permetterà la migrazione dei cromosomi ai poli opposti della cellula.
• Metafase: i cromosomi, terminata la loro spiralizzazione, attendono la distruzione della membrana nucleare. Distrutta la membrana nucleare, i cromosomi si dispongono in piastra metafasica all'equatore della cellula. I vari cromosomi, man mano che sono spiralizzati si dispongono in piastra metafasica. Solamente nel momento in cui l'ultimo cromosoma avrà preso posto sulla piastra, partirà la migrazione verso i poli. Le fibre del fuso agganceranno i cromosomi nel centromero a livello del cinetocore.
• Anafase: le sequenze nucleotidiche del centromero sono specie-specifiche e cromosoma-specifiche. Grazie alla progressiva distruzione delle fibre del fuso si verifica la separazione dei cromatidi fratelli e la loro migrazione ai poli opposti della cellula.
• Telofase: lo strozzamento della cellula; si verifica quando i cromatidi hanno raggiunto i poli opposti della cellula, portando alla formazione di due nuove cellule figlie.

Meiosi

Si tratta dell'ultima divisione delle cellule adibite alla riproduzione. È un tipo di divisione che non accorre ad incrementare gli individui di una specie; è una divisione a "fondo perduto". Le cellule che sono state soggette a meiosi vengono fecondate/fecondano oppure vengono perdute; esse non potranno più dividersi o riprodursi ulteriormente. La meiosi è il meccanismo alla base della riproduzione sessuata. La riproduzione sessuata è stata un'acquisizione vincente tanto che anche nei batteri avviene una riproduzione simile sessuata, in quel caso parliamo di coniugazione batterica.

In questo fenomeno un batterio donatore F+ cede a un ricevente F- un tratto del suo DNA, aumentando la variabilità del ricevente. È con questo sistema che si selezionano i batteri resistenti agli antibiotici. Nel corso di milioni di anni si è dunque verificata una selezione in positivo della riproduzione sessuata, passando anche per organismi che hanno alternanza di generazioni; ossia alternano generazioni che si riproducono per via asessuata, quindi per mitosi, a generazioni che si riproducono per via sessuata e dunque con produzione di gameti. Un esempio di organismo che mostra alternanza di generazione è la felce.

Nell'uomo la determinazione del sesso è legata a un gene associato al cromosoma Y: il determinante testicolare che porterà la gonade indifferenziata a maturare in testicolo. Nella specie umana il sesso eterogametico, responsabile del sesso della prole, è quello maschile. Negli uccelli il sesso eterogametico è quello femminile. Negli invertebrati il sesso è determinato da un bilancio genico, ossia da quante X sono presenti nella larva. Nella specie umana i gameti sono le uniche cellule aploidi. Con la fecondazione viene ripristinato il minimo numero di cromosomi tipico della specie e la doppia informazione per ciascun carattere. Per "funzionare bene" è necessario che i nostri geni siano in doppia dose, tranne alcune eccezioni.

Processo della meiosi

La meiosi si divide in due divisioni successive; la più importante è la prima divisione meiotica, momento in cui avviene il dimezzamento del patrimonio genetico. La seconda divisione meiotica non è altro che una mitosi. All'inizio della meiosi il genoma è costituito da 46 cromosomi dicromatidici. La prima divisione meiotica è caratterizzata da una lunghissima profase. Durante questa fase si verifica:

• L'appaiamento degli omologhi punto per punto
• Crossing over, ossia il rimescolamento delle informazioni paterne e materne.

Il crossing over è un evento importantissimo perché aumenta le possibilità di variazioni sul tema della specie; variabilità che è già assicurata dalla migrazione casuale dei singoli cromosomi (grande rimescolamento fenomeno per cui cromosomi omologhi paterno e materno possono presentarsi in piastra metafasica in moltissime combinazioni differenti). Il crossing over è il piccolo rimescolamento. Terminato il crossing over, siamo alla fine della profase meiotica. I cromosomi omologhi, ancora appaiati, si vanno a disporre in piastra metafasica in fila per due. In questo caso le fibre del fuso determineranno la separazione dei cromosomi omologhi; un omologo andrà ad un polo, l'altro nel polo opposto. Questo è il momento di massimo mescolamento. La separazione dei due omologhi è casuale e legata alla particolare disposizione che gli omologhi hanno assunto in piastra metafasica. Seguiranno la completa migrazione dei cromosomi e lo strozzamento in due cellule. Alla fine della prima divisione meiotica otterremo due cellule figlie che avranno assetto aploide.

A questo punto segue un breve intervallo in cui non si verifica replicazione del DNA. Segue immediatamente la seconda divisione cellulare. Una replicazione del DNA sarebbe inutile, essendo già i cromosomi dicromatidici. Tale profase "anomala" è seguita da una metafase, anafase e telofase. Nella seconda metafase, i cromosomi tornano a disporsi in fila per uno. Ai poli opposti migreranno i cromatidi fratelli. Alla fine della seconda divisione meiotica le cellule avranno un assetto aploide monocromatidico.

Alla fine della seconda divisione saranno state prodotte quattro cellule figlie con 23 cromosomi ciascuna.