4.

Realizzazione del progetto

1.

Il genoma umano

Il termine genoma definisce l'insieme di tutto il materiale genetico di un organismo vivente. Il genoma umano è composto da circa 100.000 geni, localizzati su 23 coppie di cromosomi presenti nel nucleo di ciascuna cellula. Ogni gene è formato da un tratto di molecola di DNA, e contiene una sequenza di coppie di basi azotate: se il gene può essere paragonato a una parola, ciascuna coppia di basi può essere fatta corrispondere a una lettera di quella parola. Diversi geni si trovano sui cromosomi, osservabili nelle cellule al momento della divisione (mitosi); quindi, ogni cromosoma contiene diverse parole e può essere paragonato a una frase. Un singolo cromosoma può arrivare a contenere più di 250 milioni di coppie di basi, mentre l'intero genoma umano, secondo alcune stime, è costituito da circa 3 miliardi di coppie di basi.

Il DNA analizzato dal Progetto Genoma Umano proviene da piccoli campioni di sangue o di altri tessuti, ottenuti da molti individui diversi. Benché i geni del patrimonio genetico di ciascun individuo siano costituiti da sequenze uniche di DNA, la variazione media del genoma di due persone diverse risulta essere inferiore all'1%. Quindi, rispetto alle somiglianze, le differenze tra i campioni di DNA ottenute da fonti diverse si possono considerare estremamente ridotte.

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.

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.