Genoma-dna

Il lato oscuro del genoma umano

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Il genoma è l’insieme del patrimonio genetico che caratterizza ogni essere vivente. È una sorta di software di un computer in cui sono presenti le istruzioni per far funzionare la macchina. È quindi paragonabile ad un manuale di istruzioni che dirige prima lo sviluppo dell’organismo vivente e poi il funzionamento dello stesso. Le indicazioni genetiche risiedono nella sequenza del DNA in cui i geni sono le singole istruzioni per far funzionare la macchina (=organismo vivente)[1].

Che cos’è il DNA?

L’acido desossiribonucleico o DNA è la molecola informazionale delle cellule. Esso contiene e trasmette le informazioni necessarie al corretto funzionamento della cellula e dell’intero organismo e per questa ragione è spesso indicato come la «molecola della vita». Il DNA presenta una forma a doppia elica. I due filamenti che lo costituiscono sono formati da unità relativamente piccole dette nucleotidi. I nucleotidi, a loro volta, sono formati da tre parti chimicamente distinte: un gruppo fosfato; uno zucchero che presenta 5 atomi di carbonio (il desossiribosio) e una base azotata. Nel DNA si trovano quattro basi azotate diverse che interagisco tra loro tra un filamento e l’altro (Figura 1):

-la citosina (C) e la guanina (G)  

-l’adenina (A) e la timina (T)

L’alternanza successiva di queste unità descritte (nucleotidi) costituisce la sequenza di DNA o codice genetico: è possibile immaginarla come una sorta di successione di tanti mattoncini, ognuno dei quali ha una precisa funzione nello sviluppo dell’organismo vivente e il funzionamento dello stesso [2].

Struttura filamenti DNA.
Figura 1. Semplificazione struttura filamenti DNA.

Ma quanto è lungo il DNA umano?

La lunghezza del DNA umano ammonta a circa 3,1 Gb (3,1 miliardi di coppie di basi). Se si immagina la molecola del DNA portata alle dimensioni di un binario di una ferrovia le cui rotaie siano costituite dallo scheletro dell’elica del DNA e le cui traversine siano le coppie di basi A-T o G-C: questo binario sarebbe lungo circa 1.700.000 chilometri (Figura 2). Le traversine contengono l’informazione genetica. Data quindi l’elevata lunghezza del DNA, una domanda frequente che gli scienziati si sono posti nel corso del tempo è: ogni singola parte costituente il DNA è indispensabile alla cellula umana? E nel caso contrario, perché?[3]

3,1 Gb DNA umano

Figura 2. Sequenza DNA paragonata ad una lunga struttura di un binario ferroviario.

Da cosa è composto il genoma umano?

Nel genoma sono presenti i geni, istruzioni contenenti precise informazioni. È estremamente difficile determinare il numero esatto di geni del genoma umano. I geni sono organizzati in segmenti codificanti denominati esoni (da cui derivano le proteine), separati da segmenti non codificanti denominati introni (da cui non derivano proteine)(Figura 3). Una gran parte del genoma umano è costituita da introni e da altre sequenze di DNA non codificante: circa il 98% dei 3 miliardi di coppie di basi del genoma umano non contribuisce alla codifica della sequenza di alcuna proteina. Nel 2004 l’International Human Genome Sequencing Consortium ha rivelato che sono solo circa 20.000 i geni codificanti proteine nel genoma umano che corrispondono solo al 2% delle sequenze genomiche totali[4].

gene DNA

Figura 3. Semplificazione suddivisione DNA in introni ed esoni. Gli esoni, trascritti in mRNA, sintetizzano proteine.

A che serve il restante 98% del genoma?

Al restante 98% del genoma umano fu coniato il termine “junk DNA” ossia DNA “spazzatura”. Esso non era in grado di sintetizzare una proteina e di conseguenza considerato inutile all’organismo vivente. Era semplicemente considerato come un retaggio evolutivo senza alcuna funzione.

Ma perché ciò che è ignoto, oscuro è spesso considerato non necessario?

Fortunatamente, l’uso successivo massivo di nuove tecnologie di biologia molecolare ha condotto alla comprensione di alcune proprietà funzionali della parte oscura del genoma, chiarendo che svolge importanti funzioni. Infatti, l’avvento di tecnologie di sequenziamento del DNA di nuova generazione consente oggi analisi più precise con un ampio repertorio di studi funzionali. Attraverso gli ampi sforzi di annotazione, alcuni consorzi dedicati, come il progetto ENCODE hanno ampliato le conoscenze di ciò che costituisce il DNA non codificante. ll progetto Encyclopedia of DNA Elements (ENCODE) mira infatti a delineare tutti gli elementi funzionali nel genoma umano[5].

Una volta iniziato a pensare che la parte interessante del genoma non fosse solo il 2% di DNA codificante, diversi gruppi di ricerca hanno concentrato la loro attenzione al restante 98% del genoma umano.

Componenti del genoma umano

genoma umano

Figura 4: Componenti del genoma umano (nucleare e mitocondriale)

Oltra al DNA codificante, il genoma umano comprende: (figura 4)[6]

-Sequenze regolatorie

-Sequenze di DNA ripetute. I geni contengono alcune sequenze di DNA ripetitivo, codificante o non-codificante, ma la maggior parte si trova in regioni intergeniche (tra diversi geni). Il DNA altamente ripetitivo costituisce oltre la metà del genoma umano. Alcune di queste sequenze sono utilizzate dalla polizia scientifica per analisi forensi in quanto sono diverse per ogni organismo vivente e quindi, se analizzate, possono ricondurre ad un singolo individuo.

-Pseudogeni (membri di famiglie geniche non funzionali)

– Geni per RNA non tradotti, i non-coding RNA (ncRNA). I ncRNA sono classificati come (Figura 5):

ncRNA
Figura 5: Classificazione ncRNA.

housekeeping ncRNA: al cui gruppo appartengono i ncRNA costitutivamente espressi, necessari per le normali funzioni e per la sopravvivenza della cellula e quindi gli RNA ribosomiali (rRNA), i transfer RNA (tRNA), splicing RNA (sRNA), small nucleolar RNA (snoRNA) e gli small nuclear RNA (sRNA).

regulatory ncRNA: al cui gruppo appartengono i ncRNA coinvolti nella regolazione dell’espressione genica, nella regolazione della trascrizione e della traduzione e nella regolazione dell’architettura cromatinica e della memoria epigenetica (una sorta di memoria molecolare). A loro volta questi ultimi sono ulteriormente suddivisi in base alla loro lunghezza in due classi: short ncRNA, che includono microRNA (miRNA) (22-23 nucleotidi) e piwiRNA (piRNA) (26-31 nucleotidi) e long ncRNA (>200 nucleotidi)[7].

A cosa servono i geni RNA non codificanti?

Coinvolgimento in diverse malattie

Ci sono migliaia di sequenze di RNA non codificanti (ncRNA), che si sono rivelate centrali nel controllo di tutti quei processi che sottintendono al corretto differenziamento di cellule e tessuti del nostro organismo, e che, se alterate, possono causare numerose malattie.[8] Sempre più prove indicano il loro coinvolgimento in diverse malattie. I long non coding RNA, ad esempio, sono coinvolti spesso in malattie come il cancro, malattie cardiache e ruoli nel neurosviluppo, nella funzione cerebrale e in una vasta gamma di malattie neurodegenerative e psichiatriche[9]

Putativa potenza codificante nei geni RNA non codificanti

In generale quindi, ad eccezione degli mRNA (gli RNA che sintetizzano proteine), le trascrizioni dei genomi possono essere considerate come ncRNA. I ncRNA erano generalmente ritenuti privi di qualsiasi potenziale di codifica di una proteina. Tuttavia, ultimamente, una considerevole quantità di dati è stata pubblicata sullo studio del potenziale di codifica dei ncRNA[10]. Il potenziale di codifica dei ncRNA potrebbe variare a seconda dalla concentrazione di un metabolita o a seconda di una condizione patologica in una cellula umana (quindi avere ipoteticamente due ruoli: svolgere il ruolo di ncRNA in condizione normale e codificare per una proteina in condizione patologica o viceversa). Ciò fa capire quanto non sia scontato e certo il genoma umano.

Insomma, l’affasciante quanto complessa composizione del DNA umano apre le porte a diverse ipotesi e studi. Bisognerebbe soffermarsi su ogni singolo componente per capire bene la sua funzione e il suo eventuale coinvolgimento in una malfunzione dell’organismo vivente.

Pertanto, non si possono trarre conclusioni certe sulla funzione di ogni singolo componente ma una cosa è certa: il 98% di DNA non codificante non è DNA spazzatura. Dopotutto, perché il genoma dovrebbe contenere una quantità così grande di “spazzatura”?

Di questo 98% oscuro, ci potrebbe essere qualcosa che ancora sfugge?


[1] Dott. Paolo Vezzoni; 2015; Che cos’è un gene?  https://www.humanitasalute.it/

[2] Zanichelli; 2012; La struttura chimica del DNA

[3] Dennis W.Ross; 2005; Introduzione alla medicina molecolare; Springer

[4] Bhat S.A., Ahmad S.M., Mumtaz P.T., Malik A.A., Dar M.A., Urwat U., Shah R.A., Ganai N.A. (2016) Long non-coding RNAs: Mechanism of action and functional utility Noncoding RNA Res. Nov 12;1(1):43-50.doi: 10.1016/j.ncrna.2016.11.002

[5] ENCODE: Encyclopedia of DNA Elements; https://www.encodeproject.org/

[6] Immagine adattata da Human Molecular Genetics, 4ed (Garland science)

[7] Nie et all; 2012; Long non-coding RNAs: versatile master regulators of gene expression and crucial players in cancer; Am J Transl Res. 2012; 4(2): 127–150.

[8] Irene Bozzoni; 2020; Il lato oscuro del genoma che agisce sulla formazione dei muscoli; Università di Roma La Sapienza

[9] St Laurent G. and Wahlestedt C. (2007), Noncoding RNAs: couplers of analog and digital information in nervous system function? Trends Neurosci 2007 Dec;30(12):612-21

[10] Pang Y., Mao C. & Shanrong Liu (2018), Encoding activities of non-coding RNAs, Theranostics; 8(9): 2496-2507doi: 10.7150/thno.24677; Bazzini A.A., Johnstone T.G., Christiano R., Mackowiak S.D., Obermayer B., Fleming E.S., Vejnar C.E., Lee M.T., Rajewsky N., Walther T.C., Giraldez A.J. (2014), Identification of small ORFs in vertebrates using ribosome footprinting and evolutionary conservation (2014), EMBO J. 2014 May 2;33(9): 981–993. doi: 10.1002/embj.201488411

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