Progetto genoma umano

La genomica

15 dicembre 2021

La genetica si occupa dello studio dei singoli geni, mentre la genomica studia i geni e le loro funzioni, studia quindi tutti i geni che formano il genoma nel loro complesso e le rispettive funzioni. È una disciplina complessa infatti deve lavorare su una grande quantità di campioni di dimensioni molto piccole. La genomica è una branca della genetica e il suo scopo è quello di capire la struttura, la funzione e l’evoluzione dei genomi.

Aree fondamentali della genomica

La genomica si divide in due diverse aree fondamentali:

• Genomica strutturale - Ramo della genomica che si occupa della natura fisica di interi genomi.
• Genomica funzionale - Ramo della genomica che si occupa del trascrittoma (l’insieme dei trascritti che possono essere prodotti da un organismo, ovvero gli RNA) e del proteoma (l’insieme delle proteine codificate dal genoma).

Differenze tra genetica e genomica

La genetica si occupa dello studio di uno o di pochi geni di interesse, mentre la genomica si occupa dello studio dei geni in totale.

Human Genome Project

Lo Human Genome Project, ovvero il progetto genoma umano, è un progetto molto importante per la storia dell’uomo. Infatti, per la prima volta, si è stati in grado di leggere l’informazione genetica in modo completo, si è infatti riusciti a determinare l’ordine dei nucleotidi del proprio genoma. Ufficialmente il progetto ebbe inizio nel 1990, tale progetto si pose diversi obiettivi, ovvero:

• Identificare tutti i geni contenuti nel DNA umano.
• Determinare la sequenza delle 3 miliardi di basi che compongono il DNA umano (fu il primo obiettivo che si posero e fu anche il primo raggiunto).
• Sviluppare tecnologie di sequenziamento più rapide ed economiche.
• Catalogare le informazioni ottenute in database informatici.
• Sviluppare programmi per l’analisi delle sequenze.
• Rispondere ai quesiti etici, legali e sociali legati allo svolgimento del progetto.

Il sequenziamento del genoma umano ebbe termine nel 2000 ma, tutt’oggi, non si conoscono ancora esattamente tutti i geni del genoma umano. L’enorme mole di dati ottenuta dal sequenziamento del genoma umano creò la necessità di progettare dei database e dei sistemi informatici in grado di contenerle tutte. Molti paragonarono il progetto genoma umano allo sbarco sulla Luna, avvenuto nel 1969 tramite la missione Apollo 11, furono infatti entrambe delle scoperte epiche, il progetto genoma umano non ebbe però lo stesso successo ma fu veramente fondamentale per la scienza. Lo Human Genome Project Information Archive fu il sito utilizzato per raccogliere le informazioni relative al progetto genoma umano.

Nascita del progetto

In realtà già prima del 1990, nel 1986, il ricercatore Renato Dulbecco scrisse una lettera alla rivista Science, dove spinse la comunità scientifica a pensare al sequenziamento del genoma umano, il quale avrebbe portato ad un enorme progresso nelle conoscenze per quanto riguarda una classe di patologie, ovvero quella dei tumori. La rivista ritenne importante l’osservazione ma allo stesso tempo la ritenne troppo costosa e si sosteneva che le tecnologie non fossero abbastanza evolute.

Contemporaneamente, in America, si riunì un gruppo di ricercatori, i quali credevano fosse giunto il momento di intraprendere il percorso verso il sequenziamento del genoma umano. Così, nel 1990 negli Stati Uniti, ebbe inizio il sequenziamento del genoma umano sotto la guida di James Watson. Agli Stati Uniti si unirono anche altri Paesi come: Giappone, Cina, Regno Unito, Francia e Germania, mentre per quanto riguarda l’Italia il progetto genoma umano nacque nel 1987 ma si interruppe nel 1995 a causa della mancanza di fondi.

La prima bozza del genoma umano fu pubblicata nel 2000, nel 2003 fu poi dichiarato un completamento della sequenza del genoma umano. Il sequenziamento del genoma umano si ottenne mediante il metodo di sequenziamento enzimatico di Sanger, messo appunto proprio da Sanger negli anni '70. Il primo genoma sequenziato tramite tale metodo fu quello di un batteriofago, ovvero un virus. Sanger fu l’unica persona a vincere due premi Nobel per la chimica durante il corso della sua vita.

Nel 1987 fu realizzato il primo sequenziatore automatico del DNA il quale, rispetto al sequenziamento manuale, presenta dei vantaggi: non deve infatti essere usata la manualità del ricercatore ed è possibile sequenziare 16 campioni di DNA contemporaneamente in poche ore. Nel 1998 fu creato un secondo sequenziatore di DNA più evoluto, chiamato ABI PRISM 3700, e fu il principale macchinario utilizzato durante il sequenziamento del genoma umano. Questo macchinario ha una produttività maggiore rispetto al primo, è infatti in grado di sequenziare 96 molecole di DNA alla volta.

Il genoma umano

Il genoma umano è estremamente complesso, contiene infatti:

• 46 cromosomi disposti in 23 coppie.
• La dimensione è superiore ai 3 miliardi di nucleotidi.
• I geni sono circa 20'000 geni per proteine.
• Soltanto una piccola porzione del genoma umano, attorno all’1%, corrisponde a regioni codificanti per proteine.

Il genoma umano viene considerato come una sorta di libro di istruzioni; se si stampa la sequenza di tre miliardi di caratteri (quantità di nucleotidi presenti nel genoma umano), potrebbe riempire circa 200 libri di elenchi telefonici. Fu necessario creare delle mappe del genoma che supportassero il sequenziamento, le mappe utilizzate erano delle mappe fisiche e non genetiche. Nelle mappe genetiche si osserva come segrega una particolare variante genica, mentre quando si parla di mappa fisica significa che si va a collocare fisicamente, a livello dei vari cromosomi, determinati elementi molecolari.

La mappa fisica a più bassa risoluzione è la mappa cromosomica, detta anche citogenetica, la quale si basa sul bandeggio osservabile sui cromosomi. Il bandeggio viene creato utilizzando dei particolari marcatori ed è tipico per ogni cromosoma; ogni banda determinata ha la dimensione di alcune mega basi. Tramite il bandeggio si possono identificare le regioni presenti su ognuno dei cromosomi. Un'altra tipologia di mappa fondamentale nel progetto genoma umano è la mappa fisica di cloni, ovvero delle mappe in cui vengono posti i frammenti clonati di DNA provenienti da un intero cromosoma. Tali mappe possono essere prodotte identificando i cloni che hanno inserti di DNA che si sovrappongono, in questo modo possono essere inseriti nell’ordine corretto.

Esistono diversi tipi di vettori che permettono di creare dei cloni di dimensioni diverse, per quanto riguarda il progetto genoma umano vennero utilizzati i cloni BAC che permettono di contenere dei frammenti di DNA fino a 300'000 nucleotidi. In realtà, nei primi anni, vennero utilizzati dei cloni YAC, i quali potevano contenere dei frammenti di DNA ancora più grandi. Tuttavia, avendo dei pezzi più grandi si credeva fosse più semplice collocarli nella posizione corretta. Ma si verificarono delle problematiche; infatti, utilizzando i cloni YAC era molto difficile prendere ognuno dei cloni creati e determinarne la sequenza. Motivo per cui si preferì lavorare con i cloni BAC.

Per poter proseguire con il sequenziamento del genoma umano è stato necessario creare delle mappe di contigui di cloni, dove con contigui di cloni si intende un insieme ordinato di cloni di geni nei quali ciascun inserto clonato corrisponde a una specifica porzione del genoma. Il sequenziamento degli inserti di un insieme di cloni non ridondanti (ovvero quei cloni che identificano almeno un pezzo di sequenza che nessuno degli altri cloni identifica) permette di ottenere la sequenza del genoma. Altre mappe fisiche sono le mappe geniche, le quali furono prodotte solamente dopo aver terminato il sequenziamento. Grazie ad esse infatti viene mostrata schematicamente la porzione dei vari geni sulla mappa cromosomica.

La mappa di restrizione descrive l’ordine e la distanza tra i siti di taglio dei vari enzimi. La mappa fisica a più bassa risoluzione è la mappa cromosomica, anche nota come citogenetica, che si basa sul bandeggio dei cromosomi.