Parlare di temi come la biologia molecolare o l’epigenetica in modo corretto, divulgativo e serio è un compito che pochi scienziati riescono ad assumere.

Ci sono, fortunatamente, delle menti illuminate come Giuseppe Macino, dell’Università La Sapienza, che da anni è impegnato nella divulgazione e nella comunicazione delle novità scientifiche legate alla genetica e a tutta una serie di temi, che per alcuni sembrano oscuri o controversi.

Noi abbiamo parlato con lui per farci spiegare in sommi capi tutti gli sviluppi odierni e futuri legati allo studio del DNA e dell’RNA.

 

 

 

– Tante volte ho come l’impressione che si diano delle interpretazioni sbagliate dell’epigenetica, quindi può spiegarci qual è l’area di studio di questa scienza e perché oggi è estremamente importante?

L’annuncio che il genoma umano era stato completamente, o quasi, sequenziato ci fece sperare di poter finalmente capire meglio il funzionamento ed il mal funzionamento delle nostre cellule e dei nostri organi. Presto ci rendemmo conto che non era così e che c’erano molte altre cose da capire per poter interpretare i dati che si andavano accumulando. Il DNA, come ormai tutti sanno, è la molecola che codifica per tutta l’informazione necessaria per il corretto sviluppo degli organismi e per il loro funzionamento per l’intero l’arco della vita. Questa enorme quantità di informazione deve essere usata in momenti diversi della vita di ogni singola cellula ed in modo diverso a seconda del tipo cellulare. Le nostre cellule sono molto diverse, si pensi alle cellule ossee, muscolari, epatiche, neuronali per fare degli esempi e si capisce subito che diversa funzione e diversa forma sono realizzate con l’uso di informazioni diverse. Allora se il DNA è lo stesso in ogni cellula come fanno ad essere così diverse? Il DNA nelle cellule è organizzato in modo molto complesso insieme a proteine, chiamate istoni,  che ne permettono l’avvolgimento regolare ed altre proteine che lo ricoprono. Queste strutture , che noi chiamiamo cromatina, possono essere più compatte o più lasche permettendo quindi di oscurare, silenziare, o di esporre le diverse parti del DNA che contengono i geni che codificano per le proteine, e non solo, necessarie per il funzionamento di ogni tipo di cellula. Il tutto in modo altamente regolato nel tempo e per ogni singola cellula. Tutto ciò lo si ottiene attraverso meccanismi che noi chiamiamo epigenetici che determinano quale porzione del DNA può essere utilizzata e quale no. In breve questi meccanismi fanno uso di modifiche chimiche di alcuni singoli aminoacidi che costituiscono le proteine intorno alle quali è avvolto il DNA. Queste modifiche, come la metilazione o l’acetilazione degli aminoacidi  lisina o arginina convogliano sul DNA altre proteine che rendono la struttura del DNA più accessibile o meno accessibile, con il risultato che il gene contenuto in quella specifica porzione della molecola di DNA sarà utilizzabile oppure sarà silenziato.

L’importanza dello studio dei meccanismi epigenetici appare quindi chiara se si pensa che le patologie, come il cancro, dipendono dalla utilizzazione di geni che non dovrebbero essere utilizzati che spingono le cellule a riprodursi anche quando non dovrebbero. Altre patologie importanti come quelle nervose spesso sono causate da meccanismi epigenetici mal funzionanti che alterano completamente il regolare funzionamento cellulare producendo danni sia strutturali che funzionale dei neuroni.

 

– Da Watson e Crick, passando per Roger Kornberg e il Nobel al Professor Craig C Mello. Come sta cambiando oggi la ricerca in genetica? Quali sono state, in questi ultimi anni delle tappe fondamentali?

Da quando conosciamo la struttura del DNA tutte le nostre idee sulla biologia sono radicalmente cambiate. Gli studi che ne sono seguiti ci hanno fatto capire che dal DNA era possibile estrarre le informazioni attraverso la sua trascrizione in RNA e che non tutto il DNA era trascritto in ogni momento ma solamente le regioni che contenevano i geni nel momento che il prodotto del gene, spesso una proteina, era necessario per il funzionamento corretto delle cellule. Da questi studi pioneristici si è passati successivamente a capire che ci sono dei meccanismi cellulari che non solamente utilizzano le informazioni contenute nel DNA ma che raccolgono messaggi che derivano dall’ambiente sia extra cellulare che extra corporeo. Tra questi messaggi ci sono anche i virus e non solo che provengono dall’esterno, da cui le cellule si devono difendere. La scoperta di Mello, sul silenziamento genico, svelava un meccanismo di difesa da invasori esterni che serve a proteggere l’integrità del DNA che possediamo. Da allora è stato possibile comprendere che oltre al DNA anche l’RNA gioca un ruolo estremamente importante nel funzionamento delle cellule e che anzi ogni giorno di più assume ruoli che prima venivano considerati tipici delle proteine. Si è capito che gli RNA interagiscono tra loro, che sono indispensabili per la regolazione dell’espressione dei geni sia a livello trascrizionale che post trascrizionale. Si è scoperto che esistono in ogni cellula RNA tanto piccoli da essere definiti microRNA che sono indispensabili per il coordinamento della funzione di produzione di proteine, per regolarne la quantità ed anche la localizzazione cellulare.

Oggi la nuova frontiera è la determinazione della variabilità individuale sia a livello di DNA che a livello di espressione dei nostri geni. Non solo noi siamo tutt diversi geneticamente ma lo siamo anche epigeneticamente, come dimostrato nel caso dei gemelli monozigoti, identici geneticamente ma diversi epigeneticamente.

Inoltre le nuove tecnologie hanno permesso di generare strumenti di intervento mirato sul DNA capaci di modificare il genoma delle cellule di ogni organismo, inclusi gli organismi umani. Lo sviluppo di queste tecnologie produrrà un ulteriore accelerazione delle conoscenze sul funzionamento e mal funzionamento cellulare con ricadute nel campo della medicina prima impensabili.

– Come viene acquisita e cos’è l’identità cellulare?

Ciascuno di noi, per parlare di umani, possiede un genoma unico, diploide,che ci deriva in parti uguali dai due genitori. La sequenza di centinaia di migliaia di genomi umani completi ci ha rivelato che ciascuno di noi condivide con gli individui della nostra specie il 99.9% della sequenza di DNA. Il residuo 0.1% ci rende unici e determina le caratteristiche fenotipiche che possiamo osservare. Questi 3 milioni di coppie di basi, che sono diverse tra ciascun  individuo, sono rappresentate da singoli nucleotidi, o qualche volta da sequenze di pochi nucleotidi, diffusi su tutto il genoma. Raramente sono presenti nei geni, più frequetemente al di fuori dei geni, nelle loro sequenze vicine che controllano  l’espressione del gene stesso. Queste alterazioni producono degli sfasamenti, durante lo sviluppo embrionale, e successivamente nella vita di ogni singola cellula, nella produzione di proteine il cui risultato è la  differenza di aspetto e funzionamento dei nostri apparati vitali.

– Per aiutare il pubblico a comprendere questi processi genetici e cellulari può spiegare semplicemente come si studiano concretamente in laboratorio?

In poche righe non è certo possibile spiegare qualcosa che richiederebbe delle enciclopedie. Tuttavia semplicemente si può spiegare che attualmente nei laboratori di genetica molecolare è possibile determinare la sequenza del DNA e di tutti, o quasi, gli RNA di ogni singola cellula di qual si voglia tessuto o organismo. Con lo sviluppo tecnologico sempre più veloce possiamo fare questi esperimenti in pochi giorni, e non molti anni come in passato, producendo conoscenza profonda su cosa accade momento per momento nelle cellule. Naturalmente possiamo anche determinare quali proteine sono presenti, anche se con maggiori difficoltà, e  quali complessi molecolari producono. Il confronto tra cellule sane e patologiche ci permette di ipotizzare quale meccanismo non funziona correttamente e proporre una ipotesi di intervento per evitare il problema derivante dalla patologia.

Si studiano contemporaneamente circa 50.000 geni negli organismi  sia animali che vegetali e si correla la loro funzione attraverso tecnologie bioinformatiche che permettono di estrarre significati importanti da una massa di dati semplicemente straordinaria. Sempre più la bioinformatica è indispensabile per analizzare i dati e proporre modelli di funzionamento cellulare da provare poi in pratica nel laboratorio.

– Qual è il legame tra l’epigenetica e i tumori? Cosa si sta sviluppando in questo settore di ricerca?

Le cellule tumorali sono molto diverse dalle cellule da cui derivano perchè un numero molto grande di geni vengono espressi in modo non corretto. Raramente la causa è determinata di un singolo gene mutato, più spesso le alterazioni sono di tipo epigenetico che modificano profondamente il livello di espressione di tantissimi geni e di conseguenza degli apparati di controllo che determinano il corretto accrescimento cellulare. Oggi spesso si definisce il cancro come una malattia epigenetica, tanto che si stanno sviluppando farmaci , chiamati epifarmaci, che incidendo sulle modifiche chimiche a carico degli istoni possono ripristinare il corretto funzionamento della struttura della cromatina nelle regioni geniche di interesse.

– Come si può manipolare il ciclo cellulare? Come questo è utile da un punto di vista sanitario?

Il ciclo cellulare deriva da una miriade di controlli incriciati sia intra che intercellulare. Attualmente non si può controllare per fini sanitari. Non sapremmo bene quali effetti potrebbe scatenare.

– Nel preparare questa breve intervista mi sono imbattuto spesso in un termine: homology-dependent gene silencing (HDGS). Cosa significa questo meccanismo di silenziamento per i geni?

Il silenziamento genico richiede una precisione assoluta che solamente gli acidi nucleici possono avere attraverso il riconoscimento di sequenze specifiche come conseguenza della complementarietà di legame tra le basi. Quindi silenziamento da sequenze omologhe significa che un RNA può essere riconosciuto da un altro RNA, raramente DNA, attraverso l’uso di sequenze complementari. Questo riconoscimento attiva delle nucleasi specifiche che tagliano l’RNA bersaglio e ne impediscono la funzione( silenziamento post trascrizionale). Per quello trascrizionale vale lo stesso concetto che implica che il DNA viene riconosciuto da un RNA complementare e questo istruisce proteine che ora possono sia modificare chimicamente le citosine del DNA, metilandole, sia modificare gli istoni dermminando un cambiamento della struttura della cromatina e un silenziamento della trascrizione del DNA coinvolto.