Progetto Genoma Umano

4.2

Tecniche di mappatura

Esistono due tipi fondamentali di tecniche per la mappatura dei geni: la mappatura genica e la mappatura fisica. La mappatura genica identifica solo l'ordine relativo dei geni lungo ciascun cromosoma; la mappatura fisica localizza la posizione esatta dei geni sui cromosomi e ne determina le distanze reciproche. Entrambi questi metodi fanno uso di marcatori genetici, ossia di particolari caratteri fisici biochimici che variano tra gli individui.

Il metodo di mappatura genica fu sviluppato agli inizi del XX secolo dal biologo e genetista statunitense Thomas Hunt Morgan. Osservando la frequenza con cui alcuni caratteri venivano trasmessi associati in numerose generazioni di moscerino della frutta, Morgan giunse alla conclusione che i tratti più frequentemente ereditati in modo associato, cioè contemporaneamente, dovessero corrispondere a geni localizzati l'uno accanto all'altro sullo stesso cromosoma. Questi studi portarono Morgan a tracciare una mappa genetica del moscerino della frutta. Sofisticate tecniche di laboratorio permettono ai ricercatori di creare mappe confrontando la posizione del gene di interesse con l'ordine relativo di alcuni marcatori genetici o di specifici segmenti noti del DNA.

La mappatura fisica determina la distanza fisica tra alcuni punti di riferimento sui cromosomi, mediante apparecchiature computerizzate. Il DNA viene estratto dai cromosomi umani e spezzato in modo casuale in numerosi frammenti. Questi ultimi vengono riprodotti in laboratorio in cloni identici (vedi Clonazione), cioè in numerose copie che possono essere analizzate a una a una allo scopo di individuare la presenza o l'assenza di specifici marcatori genetici. I cloni che condividono più marcatori molto probabilmente derivano da segmenti del cromosoma sovrapponibili, cioè molto simili fra loro. Le regioni dei cloni che si sovrappongono, quindi, possono essere confrontate per determinare l'ordine globale dei marcatori e l'esatto ordinamento dei frammenti clonati di DNA sul cromosoma.

4.3

Sequenziamento del DNA

Secondo il metodo sviluppato dal biochimico britannico Frederick Sanger, specifiche porzioni di DNA vengono duplicate e modificate alle estremità attraverso l'aggiunta di un composto fluorescente, diverso a seconda della base azotata cui è legato. I sequenziatori automatici riconoscono con un raggio laser il nucleotide modificato, e determinano l'esatto numero di nucleotidi di ciascuna catena. Queste informazioni vengono integrate da un computer, che ricostruisce la sequenza di coppie di basi presente nella molecola di DNA originale.

Fino agli anni Ottanta i frammenti di DNA umano venivano integrati al patrimonio genetico di organismi unicellulari a rapido ciclo vitale, come batteri o lieviti, allo scopo di ottenere rapidamente numerose copie di quei frammenti. Questa tecnica fu in seguito sostituita da una procedura automatizzata il cui avvento costituì una vera rivoluzione nella biologia molecolare: la reazione a catena della polimerasi, messa a punto dal biochimico statunitense Kary B. Mullis, grazie alla quale in poche ore si ottengono milioni di copie di un singolo filamento di DNA.

5

Scoperte fondamentali tra ricerca pubblica e privata

5.1

La mappatura del cromosoma 22

Nell’ambito del Progetto Genoma Umano, il primo risultato eclatante è stata la decifrazione del cromosoma numero 22, annunciata il 22 dicembre 1999 dai ricercatori inglesi del Sanger Center di Cambridge, coordinati dal biochimico Ian Dunham, e da scienziati statunitensi della Oklahoma University e giapponesi della Keio University di Tokyo. Il cromosoma 22 è il più piccolo cromosoma umano (dopo il numero 21); contiene numerosi geni implicati nella risposta immunitaria e in patologie come le disfunzioni cardiache congenite, la leucemia, il ritardo mentale, la schizofrenia e la trisomia del cromosoma 22 (una delle principali cause di aborto spontaneo). Il sequenziamento e la mappatura del cromosoma 22 hanno condotto alla individuazione di 679 geni; si ritiene che sul cromosoma se ne trovino complessivamente circa un migliaio. La scoperta, a livello del grande pubblico, ha indotto molte speranze circa lo sviluppo della terapia genica per la cura di gravi malattie genetiche; gli addetti ai lavori, invece, mantennero un atteggiamento più cauto, e giudicarono necessari ancora anni di ricerca prima che si potessero applicare in ambito medico le nuove scoperte.

5.2

L’industria privata nella ricerca genetica: la Celera Genomics

Nel dibattito sui risultati del Progetto Genoma è emerso il crescente interesse dell’industria privata a partecipare alla ricerca genetica; non era chiaro, però, se le società private e gli istituti pubblici fossero disposti a collaborare e a stabilire reciprocamente un libero accesso ai dati. In particolare, nel 1999 è divenuto noto che la società privata Celera Genomics di Rockville, nel Maryland, guidata dal biologo e imprenditore Craig Venter, stava anch’essa conducendo studi sul genoma umano e prevedeva di completarne la mappatura in tempi più brevi e con costi inferiori rispetto ai laboratori coinvolti nel Progetto Genoma Umano.

5.3

Un annuncio storico: il sequenziamento del genoma di un essere umano

Il 6 aprile 2000 Craig Venter ha dichiarato raggiunta la prima fondamentale tappa per la mappatura del genoma umano: nei laboratori della Celera Genomics è stato sequenziato l’intero DNA di un essere umano, cioè è stata definita la sequenza delle coppie di basi azotate presenti nelle molecole dell’acido nucleico. Già nel gennaio 2000 la società aveva affermato di avere decriptato il 90% di tale sequenza. Complessivamente, il progetto della società americana prevedeva il sequenziamento del genoma di sei individui di etnie differenti.

Il risultato della Celera Genomics apparentemente metteva in concorrenza la ricerca pubblica e quella privata. I laboratori di Venter hanno completato il lavoro in sei mesi, avvalendosi di 300 apparecchiature per il sequenziamento del DNA (sequenziatori), e di computer estremamente sofisticati, attivi 24 ore su 24. Per la ricerca è stata adottata una particolare tecnica, il sequenziamento whole-genome shotgun: un campione contenente un patrimonio genetico umano intero viene suddiviso in frammenti; questi vengono analizzati separatamente dai sequenziatori; calcolatori elettronici elaborano i dati in modo da ricomporre il puzzle delle sequenze di basi; alla fine, si deve procedere alla mappatura. Al contrario, i laboratori del Progetto Genoma Umano hanno proceduto frazionando il DNA in frammenti, mappando i geni di ciascuna porzione e sequenziando infine la molecola dell’acido nucleico.