3 Cromosomi, geni e genoma

I cromosomi sono le strutture che, dentro la cellula, contengono i geni. I geni sono i segmenti di DNA che portano il codice genetico con l’informazione per produrre (tecnicamente codificare) una proteina.

La serie completa dei geni presenti nel corredo cromosomico di un individuo costituisce il suo corredo genomico o genoma.

Negli organismi più semplici, i batteri cosiddetti procarioti, il DNA non è circondato da una membrana, ma è libero nel citoplasma cellulare a formare un unico cromosoma circolare. Tutte le funzioni vitali, replicazione e produzione di proteine sono svolte nello stesso citoplasma.

Negli organismi eucarioti, dai lieviti ai mammiferi, il DNA è protetto da una membrana e le funzioni cellulari sono rigorosamente ripartite all’interno della cellula tra nucleo e citoplasma. All’interno del nucleo, il DNA (2 metri di lunghezza e 3 miliardi di paia di basi nell’uomo) si trova impacchettato attorno a proteine molto semplici, gli istoni, che hanno il compito di renderlo inattivo e di ridurne il volume per poterlo contenere al proprio interno: il nucleo misura appena 5310-6 m. L’insieme DNAistoni costituisce una struttura definita nucleosoma. Più nucleosomi si dispongono in sequenze a formare la cromatina che, ripiegandosi a spirale come una molla, darà origine a un bastoncino rugoso detto cromosoma [ 9 ].

Il cromosoma perciò assomiglia a una collana strettamente raggomitolata, le cui perle sono i nucleosomi.

All’estremità dei cromosomi sono presenti alcune sequenze di DNA e proteine dette telomeri che hanno una funzione protettiva ed evitano la perdita di informazioni durante la duplicazione dei cromosomi.

Nella maggior parte dei mammiferi la sequenza telomerica è sempre la stessa ed è TTAGGG. Sembra che i telomeri abbiano un ruolo importante nel determinare la durata della vita di una cellula e nell’invecchiamento.

A ogni duplicazione, infatti, si accorciano [ 10 ].

Al momento della divisione cellulare il DNA del cromosoma si duplica e si struttura in forme di due bastoncelli, i cromatidi, uniti da un tratto di DNA non duplicato (centromero).

Alcuni segmenti di DNA, detti trasposoni o elementi trasponibili, hanno la capacità di cambiare posizione all’interno del genoma e di acquisire nuove posizioni.

Nei procarioti gli elementi trasponibili possono inserirsi in una nuova posizione del cromosoma oppure sulla sequenza di un plasmide; negli eucarioti possono muoversi sullo stesso cromosoma o spostarsi su cromosomi diversi.

Tali segmenti possono provocare variazioni nell’espressione e nell’attività dei geni adiacenti al loro punto d’inserzione fino al caso in cui se si inseriscono in una sequenza codificante provocano l’inattivazione del gene.

Il materiale ereditario è quindi un messaggio e, volendo fare un paragone con gli elementi che compongono la comunicazione scritta, si può dire sia strutturato come nello schema seguente:

La quantità del DNA presente nelle cellule dei vari organismi è detta genoma (▶A1). I genomi delle varie specie sono diversi fra loro per dimensioni e struttura; in genere sono più grandi man mano che si sale nella scala della complessità: i genomi dei procarioti sono meno ampi rispetto a quelli degli eucarioti e, restando nel mondo vegetale, le Fanerogame hanno genomi di dimensioni maggiori rispetto a quelle delle Crittogame.

Il fatto è intuitivo: più sono le funzioni che un organismo deve svolgere, più saranno i geni che codificano gli enzimi.

Esistono però delle eccezioni: il genoma dell’uomo, ultimo arrivato nel cammino evolutivo, non è il genoma più complesso, ma esistono organismi con genoma molto superiore.

Solo una parte del genoma in realtà si esprime con la produzione di proteine: nelle 23 coppie di cromosomi umani 100.000 geni codificano 100.000 proteine, ma rappresentano solo il 5-10% dell’intero genoma. Della parte restante non si conosce ancora bene la esatta funzione.

Il numero dei cromosomi assieme alla loro morfologia determina il cariotipo. Ciascun cromosoma si presenta in due versioni dette cromosomi omologhi, una di origine paterna e una di origine materna, contenute nelle cellule diploidi, che si appaiano durante la meiosi. I cromosomi sessuali si chiamano eterocromosomi mentre sono autosomi tutti gli altri cromosomi.

Ogni cromosoma è costituito da una serie di geni, ciascuno dei quali è organizzato in esoni e introni ed è affiancato da regioni con funzioni regolative dette regioni UTR (Untranslated Region, regione non tradotta).

Gli esoni sono per la maggior parte organizzati in codoni e costituiscono la parte del gene che contiene le informazioni necessarie alla produzione di una proteina.

A ogni codone corrisponde un amminoacido che costituisce la catena proteica. Gli introni non hanno funzioni codificanti, ma possono essere sequenze con funzioni regolatrici in grado di aumentare o diminuire la sintesi delle proteine.

A monte del gene in posizione 5’ si trovano generalmente i promotori che sono sequenze di DNA che innescano la sintesi proteica mentre a valle del gene in posizione 3’ si trovano regioni regolative che contengono i terminatori, sequenze in grado di bloccare la trascrizione di un gene.

APPROFONDIMENTO 1

Il Progetto genoma umano

Nel 1990, presso il National Institutes of Health, negli Stati Uniti, fu avviato il Progetto genoma umano, con l’obiettivo di sequenziare, identificare e dunque comprendere l’intero codice con cui è scritto il nostro DNA [ 11 ]. Esteso su scala mondiale (vi parteciparono gruppi di ricerca sparsi in tutto il mondo) si concluse in prima bozza nel 2000.

Il progetto, a cui furono successivamente apportate numerose revisioni, si rivelò fondamentale per la comprensione del funzionamento e della struttura del genoma umano: con enorme sorpresa, ci si rese conto che il numero di geni era decisamente minore di quanto ci si sarebbe aspettati in un primo momento (nell’uomo il numero attualmente stimato è di circa 25.000 geni) e oggi appare chiaro come la maggiore o minore complessità di un organismo non dipenda dal numero di geni, quanto piuttosto dalla maggiore o minore complessità dei meccanismi di regolazione che sono alla base della differente espressione di un gene. La comprensione del genoma umano ha reso possibile la nascita della terapia genica, della farmaco-genomica, della medicina preventiva; tuttavia, esso presenta anche alcuni aspetti e implicazioni di natura etico-sociale e giuridica, che sono stati e sono ampiamente discussi a livello internazionale.

In futuro potrebbe essere possibile l’elaborazione di “carte d’identità genetica” individuali che, come le carte d’identità civili, potrebbero essere liberamente richieste o fornite d’ufficio, analogamente a quanto oggi avviene per i gruppi sanguigni e per altre analisi (test) di interesse sanitario.

Oltre alla diagnosi prenatale, già praticata per la ricerca di alcune patologie, potrebbe divenire possibile una diagnosi preventiva di massa (screening) per l’identificazione di eventuali portatori di disfunzioni genetiche.

Gli individui portatori di malattie ereditarie potrebbero, in tal modo, premunirsi, prendendo le precauzioni igieniche e sanitarie necessarie e individuando quegli ambienti e comportamenti che dovrebbero accuratamente evitare.

Tuttavia le analisi del genoma umano potrebbero essere impiegate secondo criteri e finalità eticamente e socialmente discutibili o inaccettabili. Numerosi sono i risvolti negativi e ambivalenti del progresso scientifico: lo screening dei lavoratori, ad esempio, per l’accertamento della predisposizione a determinate malattie, potrebbe risultare uno strumento discriminatorio all’atto dell’assunzione; oppure, nel campo delle assicurazioni, l’analisi genetica per verificare la predisposizione a determinate anomalie genetiche potrebbe indurre l’ente assicurativo a pretendere un aumento del “premio” in ragione della maggiorazione dei rischi; l’applicazione delle tecniche di analisi genomica in ambito giuridico, per l’accertamento della paternità o per l’individuazione di responsabilità penali, e i conseguenti problemi sollevati in ambito giudiziario potrebbero, qualora non si limitassero all’accertamento degli elementi pertinenti al processo, rivelare aspetti riservati della personalità dell’imputato.

Il Progetto genoma rappresenta un viaggio affascinante entro l’intima struttura dell’essere umano e, contemporaneamente, può essere il luogo ove ogni privacy viene azzerata.

Le problematiche implicate sono ampie e complesse; come in tutti i problemi etici, il giudizio non può che essere ambivalente, come del resto è innegabile la necessità di un’adeguata regolamentazione giuridico-normativa dell’uso di tali conoscenze, a tutela delle persone interessate e del bene comune.

NUOVE Biotecnologie Agrarie e Biologia Applicata