ATGGGATAGCGACGAGCCAGTCTGCTCTAGACAGACGTAGCATATGGGATAGCGACAGACAGACGTAGCATATGGGAG

LE MACCHIE SCURE ALL'INTERNO DI UN'IRIDE

possono essere il segno rivelatore del genomanascosto all'opera. Alcuni tratti ereditari non sitrasmettono attraverso i geni ordinari,

ma per mezzo di modificazioni chimiche dei

cromosomi, regolate in parte da frammenti

di DNA «spazzatura». A differenzadelle mutazioni genetiche, questi tratti

ereditari sono reversibili e appaiono in alcune

cellule, ma non in altre.

Proprio quando si pensavadi sapere quasi tuttosul funzionamento delDNA, nei cromosomi sonostati scoperti due vastistrati di informazione,in gran parte nascosti,che condizionanol'ereditarietà, lo sviluppoe l'insorgenza di malattie

Perle nella spazzatura

di W. Wayt Gibbsredattore di «Scientific American»

GGGATAGCGACGAGCCAGTCTGCTCTAGACAGACGTAGCATATGGGATAGCGACGAGCCAGTCTGCTCTAGACAGTAC

IN SINTESI

• Per molto tempo, i genetisti si sono concentrati solo su

quella piccola parte del DNA che contiene i piani di costruzione

delle proteine. Il resto — che nell'uomo costituisce il 98 per

cento del DNA— è stato spesso liquidato come inutile

spazzatura. Ma la scoperta di molti geni nascosti, che operano

attraverso l'RNA, anziché attraverso le proteine, ha

completamente rovesciato questa convinzione.

• Questi geni di solo RNAtendono a essere corti e difficili da

identificare. Alcuni di essi hanno però un ruolo fondamentale

per la salute e lo sviluppo di piante e animali.

• Le forme attive di RNA aiutano anche a regolare uno strato

separato «epigenetico» di informazione ereditabile che risiede

nei cromosomi, ma all'esterno della sequenza di DNA.

Circa 20 anni fa, gli astronomi si convinsero che le galassielontane si stavano spostando in modi che, tenuto conto delleleggi della gravità e degli oggetti visibili nel cielo, non avevanosenso. Un po' alla volta, furono costretti a concludere che l'uni-verso non era vuoto come sembrava, e che, invece, doveva es-sere dominato da un qualche oscuro tipo di materia. Oggi, nes-suno ha ancora idea di che cosa sia fatta questa materia né dicome si comporti, ma gli scienziati ne «vedono» la presenza daisuoi effetti. La ricerca della comprensione della materia oscura(e, più recentemente, dell'energia oscura) ha portato alla revisio-ne o alla sostituzione di vecchie teorie, ma in compenso ha of-ferto nuovi stimoli all'astrofisica e alla cosmologia.

Un analogo rivolgimento è in atto ora nella genetica moleco-lare. Quest'anno, i biologi hanno celebrato il cinquantesimo an-niversario della scoperta della doppia elica, e il Progetto Geno-ma Umano ha annunciato il completamento di una «bozza fina-le» della sequenza del DNA di Homo sapiens. La padronanza delDNA acquisita dai ricercatori in laboratorio è ormai evidente.Tuttavia, confrontando il DNA di specie imparentate alla lonta-na e osservando più da vicino il funzionamento dei cromosomiall'interno delle cellule viventi, gli scienziati incontrano semprepiù spesso fenomeni che le attuali teorie non sono in grado dispiegare.

Sulle riviste specializzate e nei congressi si moltiplicano levoci di nuove scoperte che contraddicono la nozione conven-zionale che i geni, i segmenti di DNA che codificano per le pro-

mutazioni durano per tutta la vita, gli errori epigenetici - impli-cati in una lista sempre più nutrita di difetti congeniti, tumori ealtre malattie - potrebbero essere corretti con i farmaci. Inrealtà, le sperimentazioni cliniche di alcuni trattamenti innova-tivi su pazienti leucemici sono già in corso.

I ricercatori stanno anche iniziando ad accorgersi che nelgenoma tutto ciò che può accadere prima o poi accade davve-ro, come spiega Carmen Sapienza della Temple University, cheha iniziato a studiare i fenomeni epigenetici quando erano an-cora ritenuti anomalie di poco conto. «Può darsi che vi sianoaltri meccanismi fondamentali da scoprire», afferma la ricerca-trice. «Credo che la fase più emozionante della genetica sia ap-pena iniziata.»

I pericoli del dogma

Ci vorranno anni, e forse decenni, per costruire una teoriadettagliata che spieghi in che modo DNA, RNA e meccanismiepigenetici si combinino assieme formando un sistema autore-golato. Ma non ci sono più dubbi che serva una nuova teoriaper sostituire il dogma centrale su cui la genetica molecolare ele biotecnologie si sono basate a partire dagli anni cinquanta.

Questo dogma centrale, nella sua formulazione consueta, èmolto semplice: il DNA fa l'RNA, l'RNA fa le proteine e le pro-teine fanno quasi tutto il lavoro biologico vero e proprio. L'ideadi fondo è che l'informazione sia conservata nelle due scale in-

GRANDI DIFFERENZE NELL'ASPETTO e nella salute degli organismi possono

dipendere da piccoli cambiamenti in minuscoli geni non convenzionali. Le

foglie delle piante di Arabidopsis, per esempio, normalmente sono a forma

di cucchiaio (a sinistra). Ma quando i ricercatori hanno interferito con

l'azione di un microRNA, prodotto da un gene di solo RNA, le piante mutanti

di Arabidopsis hanno sviluppato notevoli difetti (a destra). I microRNA

sembrano controllare i livelli di attività di numerosi geni.

proteina» dice Georges, ma che producono solo RNA. Il termine«gene» è sempre stato un po' vago; questi geni fatti solo di RNAcontribuiscono a confondere ulteriormente il significato del ter-mine. Per evitare equivoci, spiega Claes Wahlestedt del Karolin-ska Institut, in Svezia, «tendiamo a non parlare più di "geni"; cilimitiamo a riferirci a qualunque segmento che venga trascritto[in RNA] come a una "unità di trascrizione"».

Dopo aver effettuato scansioni dettagliate del genoma del to-po in cerca di tutti questi elementi, «valutiamo che ve ne sianoda 70.000 a 100.000», ha annunciato Wahlestedt al Congressointernazionale di genetica, tenutosi a Melbourne nel luglio scor-so. «Almeno metà di essi potrebbe essere non codificante.» Sequesto è vero, allora per ciascuna sequenza di DNA che generauna proteina, ce n'è un'altra che opera solo attraverso forme at-tive di RNA. Forme che non sono semplicemente piani interme-di per la produzione di proteine, ma che, invece, alterano diret-tamente il comportamento delle cellule.

Ciò che vale per i topi probabilmente è vero anche per l'uomoe gli altri animali. Un gruppo di ricercatori del National HumanGenome Research Institute (NHGRI) ha recentemente confronta-to campioni dei genomi umano, bovino, canino, suino, murinoe di sette altre specie. La loro analisi al computer ha evidenziato1194 segmenti che appaiono, con variazioni di poco conto, inspecie diverse, una forte indicazione del fatto che le sequenzecontribuiscono all'adattamento evolutivo delle specie. Con sor-presa dei ricercatori, solo 244 di quei segmenti si trovavano al-

Non ci sono più dubbi che serva una nuova teoriaJui D t itu ire il 1:10 tiLd e le I tecnologie

si sono basate a partire dagli anni cinquanta

teine, costituiscano l'unico fondamento dell'ereditarietà e l'inte-ro piano di costruzione di tutti gli esseri viventi. Proprio come lamateria oscura influenza il destino delle galassie, vi sono parti«oscure» del genoma che esercitano un controllo sullo sviluppoe i tratti distintivi di tutti gli organismi, dai batteri agli esseriumani. Il genoma, insomma, vede in scena molti più attori chenon i soli geni che codificano per le proteine.

La dimensione di questo genoma invisibile non è ancora chia-ra, ma si sa che esistono almeno altri due strati di informazio-ne oltre ai geni tradizionalmente riconosciuti. Uno strato si in-treccia con le vaste sequenze «non codificanti» di DNA che in-terrompono e separano i geni. Sebbene siano stati catalogati alungo come irrilevanti perché incapaci di produrre proteine,molti di questi segmenti si sono preservati pressoché intatti at-traverso milioni di anni di evoluzione, e questo suggerisce chesvolgano funzioni indispensabili. E, in effetti, un gran numerodi queste sequenze vengono trascritte in una serie di RNA di-versi, i quali eseguono una gamma di funzioni molto più am-pia di quanto i biologi immaginassero fino a poco tempo fa.Oggi, alcuni scienziati sospettano addirittura che molto di ciòche rende una persona, e una specie, diversa da tutte le altredipenda dalle variazioni contenute nelle perle nascoste dentroil nostro DNA «spazzatura».

Sopra, e oltre, la sequenza del DNA nei cromosomi vi è un al-tro strato di informazione, molto più malleabile. Si tratta di mar-catori «epigenetici», incorporati in una mescolanza di proteine esostanze chimiche che circondano, sostengono e si attaccano alDNA, operando athaverso oscuri codici e misteriosi meccanismi.A differenza dei geni, i marcatori epigenetici sono periodica-mente abbandonati, cancellati e riscritti al volo. Così, mentre le

trecciate del DNA, e in particolare nelle basi chimiche (contras-segnate con A, T, G e C) che si accoppiano a formare i pioli del-le scale. Un gene non è altro che una determinata sequenza dibasi, posta su uno dei lati della scala, che specifica una proteina.

Sempre secondo il dogma, i geni esprimono se stessi comeproteine, il che si realizza in quattro fasi: dapprima, un enzimaaggancia un cromosoma e scivola lungo il gene, trascrivendo lasequenza che si trova su un filamento di DNA in un singolo fila-mento di RNA. Successivamente, si tagliano via gli introni, ovve-ro le parti non codificanti del trascritto iniziale di RNA, e ciò cherimane viene ricongiunto in modo da costituire un pezzo di RNAmessaggero. Il messaggio si sposta quindi fuori dal nucleo nellaparte principale della cellula, dove il macchinario molecolare lotraduce in catene di amminoacidi. Infine, ciascuna catena si at-torciglia ripiegandosi in un'intricata forma tridimensionale.

Sono proprio le loro forme a rendere le proteine così notevol-mente versatili. Alcune di esse vanno a formare muscoli e orga-ni; altre fungono da enzimi per catalizzare, metabolizzare o se-gnalare; altre ancora regolano i geni agganciandosi a sezionispecifiche di DNA o RNA. Non stupisce, quindi, che molti biolo-gi (e giornalisti) abbiano dedotto dal dogma centrale che, conscarse eccezioni, una molecola di DNA è qualificabile come ge-ne solo se è in grado di produrre una proteina.

«Di solito, quando si dice che il genoma umano contiene circa27.000 geni, ci si riferisce a geni che codificano per proteine»,sottolinea Michel Georges, un genetista dell'Università di Liegi.Ma sebbene il numero sia ancora ipotetico (le stime oscillano da20.000 a 40.000) esso sembra confermare che non vi è una chia-ra corrispondenza fra la complessità di una specie e il numero digeni presenti nel suo genoma. «I moscerini della frutta hanno

meno geni codificanti dei nematodi, e le piante di riso ne hannopiù degli esseri umani», osserva John S. Mattick, direttore dell'In-stitute for Molecular Bioscience dell'Università del Queensland aBrisbane, in Australia. «La quantità di DNA non codificante, in-vece, sembra essere direttamente proporzionale alla complessità.»

Negli organismi superiori (come l'uomo), i geni «sono fram-mentati in pezzi di sequenze codificanti per proteine separate datratti spesso estesi di sequenze che non codificano per proteine»,spiega Mattick. Di fatto, i pezzi codificanti rappresentano menodel due per cento del DNA nei cromosomi umani. I circa tre mi-liardi di coppie di basi che noi tutti ci portiamo dietro in quasiogni nostra cellula, devono essere lì per qualche altra ragione.Ciononostante, gli introni all'interno dei geni e i lunghi tratti diDNA intergenico tra i geni, dice Mattick, «sono stati interpretatiimmediatamente come spazzatura evolutiva».

Una conclusione troppo affrettata. «Ci stiamo rendendo con-to sempre di più che esiste una vasta collezione di "geni" chesono chiaramente funzionali pur non codificando per alcuna

l'interno di un tratto di DNA codificante per proteine. Circa dueterzi delle sequenze conservate erano negli introni, e il resto eradisperso in mezzo al DNA «spazzatura».

«Secondo me, la storia del DNA "spazzatura" diventerà unclassico esempio di come il rispetto dell'ortodossia finisca perdistogliere da un'obiettiva analisi dei fatti, in questo caso per unintero quarto di secolo» dice Mattick. «L'incapacità di riconosce-re tutto ciò che implica, in particolare l'eventualità che le se-quenze non codificanti trasmettano informazione parallela nel-la forma di molecole di RNA, potrebbe rivelarsi uno dei piùgrandi errori nella storia della biologia molecolare.»

Più che un messaggero

Ora che i biologi hanno nuovamente rivolto la loro atten-zione all'RNA, stanno scoprendo che esso è capace di impres-sionanti performance di chimica cellulare. Come le proteine,alcuni trascritti di RNA possono interagire con altri pezzetti di

60 LE SCIENZE 424 /dicembre 2003

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I geni che codificano per proteine contengono sezioni non codificanti

\

chiamate introni. Gli introni sono tagliati via dal trascritto inizialedi RNA; le sezioni codificanti vengono quindi ricongiunte per creare

un RNA messaggero maturo. Anche se molti intronisi degradano, alcuni contengono elementi

attivi, come microRNA, che possonosfruttare il meccanismo di

«interferenza dell'RNA» della cellulaper abbassare il volume dei geni.

... e lo usa per distruggere mRNAfatti di geni particolari, sopprimendoliefficacemente

Sezione codificantecodificante

r ''

Introni

microRNAsotto attacco

Gene trascritto

microRNA

introriedegradato

Il meccanismodi interferenza dell'RNAelabora il microRNA...

4. RNA di riboswitch

Sequenza riboswitch

Prodottoproteico

Riboswitch

tig01

Sequenza codificante attivo

Sequenza noncodificante ,9

per la proteinae".

Statoinattivo

Composto

(g:/o&d

chimico bersaglio

Gene

UN BESTIARIO DI GENI NON CONVENZIONALI

I geni, secondo le nozioni convenzionali, sono quelle sezioniI del DNA che vengono tradotte in proteine funzionali.Queste sequenze, però, costituiscono solo il 2 per cento circadel genoma umano. Il resto del genoma è pieno di DNA «noncodificante». Ma non per questo inutile.

Gli scienziati stanno scoprendo molti geni che non codificanoper proteine, ma che danno origine a RNAsorprendentemente attivi, comprese alcune varietàche sono in grado di silenziare o regolare geniconvenzionali, come raffigurato qui sotto.

URNA antisenso è fatto del filamento complementare di DNA cherisiede in posizione opposta a un gene codificante per una

proteina sulla doppia elica. Gli RNA antisenso possonointercettare I'RNA messaggero trascritto dal gene, impedendo

che I'mRNA sia tradotto in una proteina.

Nucleocellulare

Gene checodificaper una

proteina

URNA antisenso si lega all'RNAcomplementare bloccando il meccanismodi traduzione proteica

DNA comp ementareRNA antisenso

I riboswitch sono una forma di RNA

scoperta di recente che funge da

interruttore genetico. Prodotto in molticasi dal DNA spazzatura compreso tra

geni noti, un riboswitch si piega in una

forma complessa. Una parte dell'RNA

ripiegato può legarsi a una specifica

proteina bersaglio o a un compostochimico. Un'altra parte contiene il

codice a RNA per un prodotto proteico. Il

riboswitch si «accende» e produce la

proteina per cui codifica solo quando è

in presenza del suo bersaglio.

mRNA normale

RNA, con DNA, con proteine e perfino con piccoli compostichimici Le proteine, tuttavia, sono molecole analogiche: si le-gano ai bersagli come una chiave entra nella serratura. «Il bel-lo dell'RNA è che ha una sequenza specifica, per cui è digitale,come un codice di avviamento postale», sottolinea Mattick. Unframmento di RNA può fluttuare liberamente finché non siimbatte in un DNA (o in un altro RNA) che ha una sequenzacomplementare; a quel punto, le due metà della scala si uni-scono formando i pioli. (Due segmenti sono complementariquando tutte le basi C si accoppiano con G e tutte la basi T o Usi uniscono alle A.)

Come esempio del sottovalutato potere dell'RNA, prendiamogli pseudogeni. Le indagini sul DNA umano hanno trovato alsuo interno un numero quasi uguale di geni e di pseudogeni,vale a dire copie difettose di geni funzionali. Per decenni, questipseudogeni sono stati considerati una sorta di fossili molecolari,relitti di geni distrutti da mutazioni e abbandonati dall'evolu-zione. Ma lo scorso maggio, un gruppo di genetisti giapponesidella Saitama Medical School, diretti da Shinji Hirotsune, haannunciato la scoperta del primo pseudogene funzionale.

Hirotsune aveva inserito in alcuni topi un gene di moscerinodella frutta chiamato sex-lethal. La maggior parte delle cavienon aveva avuto problemi con il gene estraneo, con l'eccezionedi un ceppo in cui sex-lethal aveva tenuto fede al suo nome:tutti i topi erano morti poco dopo la nascita. I ricercatori hannoscoperto che, in quel particolare gruppo, il gene sex-lethal si eraandato a inserire proprio nel mezzo di uno pseudogene, metten-

dolo KO. Questo pseudogene (chiamato makorin 1-p 1) è unacopia assai accorciata di makorin 1, un gene arcaico che i topihanno in comune con moscerini della frutta, venni e molte altrespecie. Sebbene i ricercatori non abbiano idea di che cosa facciamakorin I, sanno per certo che i topi hanno pseudogeni mako-rin 1 in gran quantità e che nessuno di essi può produrre protei-ne. Ma se gli pseudogeni non fanno nulla, perché questi topimorivano avendone perso uno solo?

Per qualche ragione, makorin 1 - e, a quanto pare, solomakorin 1 - smette di funzionare contemporaneamente al suopseudogene p1. In altre parole, l'RNA prodotto dello pseudoge-ne controlla l'espressione del gene «vero» di cui imita la sequen-za, persino se i due geni si trovano su cromosomi diversi. In tut-to questo non c'è nulla di «pseudo».

E troppo presto per dire se la maggior parte degli pseudogenidà origine a RNA attivo. Ma nelle parti oscure del genoma c'èabbondanza di altre sorgenti. Per esempio, ogni normale geneche codifica per le proteine ha una sequenza complementare diDNA che risiede sull'altro lato della scala e che normalmentenon viene trascritta in RNA. Ai biologi piace pensare che si trat-ti di una sorta di copia di backup, dal momento che la cellulapuò usarla per riparare i danni subiti dal gene.

In alcuni casi, però, il backup ha dei progetti autonomi. Men-tre il gene sta producendo un messaggio a RNA rilevante, il suoalter ego può mettersi a sfornare un RNA «antisenso» che hauna sequenza complementare. Ogni volta che gli RNA senso eantisenso si incontrano, si incastrano formando delle scale adoppio filamento indipendenti, interferendo così con la capacitàdel gene di esprimere la proteina.

I biologi sapevano che i batteri e le piante possono produrreRNA antisenso, ma credevano che nei mammiferi accadesse dirado. Una convinzione crollata nello scorso aprile, quando ilteam di Galit Rotman alla CompuGen, una società di biotecno-logie di Tel Aviv, dopo aver effettuato uno screening dei data-base del genoma umano, ha concluso che almeno 1600 geni u-mani (e probabilmente molti di più) hanno un «compagno» cheproduce RNA antisenso.

Questi RNA concorrenti possono sopprimere un gene sem-plicemente legando l'RNA messaggero del gene. Ma Rotmanipotizza che essi impieghino una specie di «censore genomicoincorporato», noto come meccanismo di interferenza dell'RNA.Avvenuta diversi anni fa, la scoperta di questo meccanismo persilenziare selettivamente singoli geni continua ad affascinare ibiologi. Quando in una cellula appare RNA a doppio filamento,gli enzimi lo spezzettano, separano i due filamenti e usano unframmento di RNA per cercare e distruggere qualunque altromessaggio a RNA che si attacchi alla sua sequenza. Il sistemaprotegge le cellule dai virus, che spesso liberano il proprio «ca-rico» nella forma di RNA a doppio filamento. Ma il censore for-nisce anche agli scienziati un modo pratico per spegnere qua-lunque gene a volontà [si veda l'articolo I censori del genoma,di Nelson C. Lau e David P. Bartel, in «Le Scienze», n.421, set-tembre 2003.1.

Né gli pseudogeni né gli RNA antisenso, comunque, posso-no spiegare le foglie raggrinzite che Detlef Weigel, del Max-Planck-Institut, e i suoi collaboratori, hanno visto quest'estate

sulle loro piante di Arabidopsis. Normalmente, queste erbe infe-stanti della famiglia della senape hanno foglie lisce a forma dicucchiaio. Come ha mostrato lo scorso agosto il gruppo di Wei-gel su «Nature», le piante devono in parte le loro aggraziate cur-ve simmetriche a un tipo di RNA attivo detto microRNA.

I microRNA, osservati per la prima volta alcuni anni fa neinematodi, sono brevi RNA non codificanti che si ripiegano suse stessi, come forcine per capelli. Nell'Arabidopsis, il microRNAJAW si piega in due e viene quindi catturato dall'interferenzadell'RNA, come accadrebbe con un virus. Ma la sequenza JAWcorrisponde a una manciata di geni che codificano per protei-ne, e che fanno parte di una famiglia che controlla le dimen-sioni e la forma della pianta. Il censore reprime diligentementeciascuno di essi facendo a pezzetti gran parte dell'RNA mes-saggero che producono, ma non tutto. Quindi JAW, un minu-scolo gene di solo RNA, è il principale strumento con cui lecellule di Arabidopsis regolano il volume di un pacchetto digeni cruciali. Quando il gruppo di Weigel creava piante in cuiil microRNA non poteva svolgere il proprio compito, le piantesi deformavano.

In appena tre anni, da quando, cioè, i ricercatori hanno ini-ziato a compiere osservazioni libere dal pregiudizio dogmatico,sono stati scoperti centinaia di microRNA: più di 150 nella solaspecie umana. Essi sembrano il metodo collaudato con cui gliorganismi si disputano i geni; circa la metà dei microRNA pre-senti nella specie umana compare anche, in forma quasi identi-ca, nel DNA del pesce palla, anche se le due specie hanno intra-preso percorsi separati circa 400 milioni di anni fa

Che cosa facciano quei 150 microRNA in sovrappiù nell'uo-

L'incapacità di riconoscere l'importanza degli introni«potrebbe finire con il rivelarsi uno dei più grandi errori

nella storia della biologia molecolare»

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D

a quando, circa 20 anni fa, l'invenzione della tecnologia del

DNA ricombinante ha reso possibile l'ingegneria genetica,

la maggior parte delle ricerche in genetica è stata condotta

«all'inverso». Nella genetica inversa, si parte da un particolare

gene di interesse. I ricercatori manipolano il gene in una

coltura cellulare o in un organismo vivente, stanno a vedere

che cosa succede, e poi cercano di dedurne la funzione. È un

classico approccio riduzionistico, e può dare risultati

importanti.

Ma la crescente consapevolezza che gran parte del genoma

comprende dei geni nascosti— sequenze funzionali che erano

state erroneamente classificate come spazzatura — ha messoin luce un grosso problema della genetica inversa: può infilare i

ricercatori in un vicolo cieco. Per questo, ultimamente, molti

genetisti sono tornati alla vecchia pratica della genetica

diretta come metodo per identificare i geni, sia convenzionali

sia non convenzionali, di cui non sanno nulla.

La Phenomix, una società di biotecnologie di La Jolla, in

California, fondata lo scorso anno da alcuni eminenti gruppi di

genetisti spera di ricavare un profitto dall'approccio diretto. La

società ha predisposto una sorta di catena di montaggio di topi

mutanti. In ciascun gruppo di topi, le mutazioni in punti casuali

del genoma disabilitano non solo geni standard codificanti per

proteine, ma anche geni nascosti che producono solo forme

attive di RNA.La Phenomix inizia sia con topi sani sia con topi che hanno

malattie simili a patologie umane comuni come il diabete,

l'asma, l'artrite e la malattia di Parkinson. Alcune mutazioni

inducono o alleviano sintomi di queste malattie nel topo. I

ricercatori quindi effettuano uno screening genetico per

determinare quali mutazioni causino i sintomi, o viceversa li

curino. Resta da vedere se questo approccio condurrà

realmente a una migliore progettazione di farmaci. Ma la

genetica diretta ha già permesso di portare alla luce fenomeni

genetici, come quello degli pseudogeni funzionali (si veda il

testo dell'articolo] di cui si ignorava l'esistenza.

UN NUOVO SALTO PER LA GENETICA

«Ciò che era stato bollato come spazzaturasolo perché non se ne capiva la funzione potrebbe

rivelarsi la vera base della complessità umana»

mo è un mistero. Anna M. Krichevsky, della Harvard MedicalSchool, sospetta che, tra le altre cose, essi svolgano un ruolo im-portante nello sviluppo del cervello. Il suo laboratorio ha usatoun «chip genico» per effettuare uno screening dei neuroni di to-po in cerca di 44 tipi diversi di microRNA. La Krichevsky ha ri-ferito in settembre che nel corso dello sviluppo cerebrale dei to-pi vengono regolati con precisione i livelli di almeno nove mi-croRNA distinti. 11 collegamento è ancora indiretto, ma come hasottolineato lo scorso anno Diya Baneijee della Yale Universityin una rivista di scienza del microRNA: «Siamo alle soglie di unnuovo boom di scoperte in questo settore».

Digitale e analogico

Se le proteine sono i cavalli da tiro della cellula, a volte èl'RNA attivo a tenerne le redini. E vari tipi di RNA si sono rive-lati anche dei discreti muli da lavoro: catalizzando, segnalandoe commutando con la stessa competenza delle proteine. Di fatto,alcune malattie ereditarie hanno messo in difficoltà i ricercatoripoiché questi, nella loro diligente ricerca di una proteina mu-tante, ignoravano FRNA attivo che avevano sotto il naso.

Per esempio, i clinici hanno speso quasi nove anni nel tentati-vo di inchiodare il gene responsabile della CHH (cartilage hairhypoplasia). Questa malattia recessiva, un raro tipo di nanismo, èstata identificata per la prima volta negli Amish, tra i quali unapersona su 19 ha una copia del gene difettoso. Chi è affetto daCHH non solo è piccolo di statura, ma anche ad alto rischio dicancro e malattie immunitarie. La genetista finlandese MaaretRidanpà, dell'Università di Helsinki, ha rintracciato il gene sulcromosoma nove, sequenziandone una vasta regione e quindicontrollando, uno a uno, tutti i 10 geni codificanti per proteinepresenti nella regione. Nessuno di essi causava la malattia.

Finalmente, nel 2001, il gruppo della Ridanpaa ha identifica-to il colpevole: un gene di solo RNA chiamato RMRP. L'RNAtrascritto da RMRP si lega con le proteine formando un enzimache opera all'interno dei mitocondri, le centrali di energia dellacellula. Basta un cambiamento a una singola base in un puntocritico su questo RNA a far la differenza tra una vita lunga e sa-na e una vita breve e vulnerabile alle malattie. Inoltre, si è sco-perto recentemente che questi RNA «analogici», che si ripieganoin forme complesse proprio come le proteine, sono essenziali peril funzionamento di enzimi che proteggono i cromosomi e chescortano i segnali delle proteine fuori dalle «porte» della cellula.

Ma la forma di RNA più interessante scoperta finora proba-bilmente sono i riboswitch, isolati l'anno scorso nel laboratoriodi Ronald R. Breaker a Yale. Breaker, come altri biologi, si chie-deva da tempo in che modo, miliardi di anni fa, i primissimiprecursori chimici della vita se la fossero cavata nel mondo aRNA prima della comparsa di DNA e proteine. La loro ipotesi erache questi proto-organismi abbiano usato gli RNA come sensorie interruttori per rispondere ai cambiamenti dell'ambiente ester-no e del proprio metabolismo. Per verificare l'idea, i ricercatorihanno tentato di creare RNA con queste capacità.

«Il nostro laboratorio ha prodotto con successo un certo nu-mero di interruttori sintetici a RNA», racconta Breaker. Battez-zati riboswitch, questi lunghi RNA sono contemporaneamentecodificanti e non codificanti. Quando l'RNA si piega, l'estremitànon codificante diventa un recettore sensibile ad un particolarebersaglio chimico La collisione col bersaglio fa scattare l'inter-ruttore, facendo sì che l'altra estremità, che contiene un proget-to standard per una proteina, cambi forma. Insomma, il ribo-switch dà origine a una proteina, proprio come un gene norma-le, ma lo fa solo quando entra a contatto con il suo bersaglio.

11 gruppo di Breaker si è quindi messo a caccia di riboswitch,

CLONI IN TUTTO TRANNE CHE NEL NOME, questi compagni di cucciolata

ottenuti da un ceppo di topi per altro incrocio di consanguinei condividono

DNA pressoché identico. Tuttavia il colore del loro pelo varia attraverso

tutto lo spettro cromatico dal giallo oro al bruno mogano a causa

di variazioni negli allegati chimici «epigenetici» che ciascuno ha

in corrispondenza di un particolare segmento di DNA che si trova

al di fuori di qualunque gene noto. Il colore del pelo di questi topi non può

essere previsto dalle attuali teorie della genetica.

BIBLIOGRAFIA

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RODRIGO YELIN e altri, Widespread Occurrence of AntisenseTranscription in the Human Genome, in «Nature Biotechnology»,vol. 21, pp. 379-385; aprile 2003.JOHN S. MATTICK, Challenging the Dogma: The Hidden Layer ofNon-Protein-Coding RNAs in Complex Organisms, in «BioEs-says», vol. 25, pp. 930-939; ottobre 2003.

scoprendo ben presto che si nascondevano nel DNA intergeni-co. Oggi, questi interruttori genici di precisione sono stati trova-ti in specie appartenenti a tutti e tre i regni della natura. Questo,sostiene Breaker, «significa che i riboswitch erano probabilmen-te presenti già nell'ultimo antenato comune» non molto tempodopo l'alba dell'evoluzione.

In agosto, Breaker e i suoi collaboratori hanno riferito che inBacillus subtilis, un comunissimo batterio, esiste una famiglia diriboswitch che regola l'espressione di almeno 26 geni. E non sitratta certo di geni che intervengono raramente, ma, al contra-rio, di geni su cui il batterio si basa per metabolizzare alcune so-stanze indispensabili come zolfo e amminoacidi. Breaker stimache almeno 68 dei geni di B. subtilis, quasi il due per cento deltotale, siano sotto il controllo dei riboswitch. Il suo laboratorioha già iniziato a ingegnerizzare nuove molecole ibride digita-li/analogiche da destinare a scopi applicativi quali l'uccisioneselettiva di microrganismi.

Il quadro d'insieme

Via via che i biologi passano al setaccio nuovi tipi di geniattivi a RNA appartenenti a introni o a tratti intergenici di DNA,si accorgono che la scienza è ancora ben lontana dall'avereuna lista completa delle componenti di cui sono fatti gli esseriumani o una qualunque altra specie superiore. A differenza deigeni che codificano per le proteine, che hanno codici standarddi «avvio» e di «arresto», i geni di solo RNA variano a tal puntoche i programmi dei computer non riescono a individuarli nel-le sequenze di DNA. Al fine di stimolare il progresso tecnologi-co, il National Human Genome Research Institute sta lanciando«ENCODE», un ambizioso progetto da 36 milioni di dollari de-stinato a realizzare una «Enciclopedia degli elementi di DNA».L'obiettivo è catalogare, nel giro di appena tre anni, ogni tipodi RNA e proteina prodotto da un 1 per cento selezionato delgenoma umano.

Nessuno è ancora in grado di prevedere come potrà presen-tarsi il quadro complessivo della genetica una volta che questistrati nascosti di informazione saranno finalmente resi visibili.«Ciò che era stato bollato come spazzatura, semplicemente per-ché non se ne capiva la funzione potrebbe di fatto rivelarsi lavera base della complessità umana», suggerisce Mattick. E vi so-no buone ragioni per sospettare che sia nel giusto anche la-sciando da parte pseudogeni, riboswitch e compagnia bella.L'RNA attivo, come si sta cominciando a comprendere, aiuta acontrollare la struttura a grande scala dei cromosomi e alcunedelle loro modificazioni chimiche più cruciali - uno strato diinformazione epigenetico, completamente differente, all'internodel genoma.

L'esplorazione di questo strato epigenetico sta dando unarisposta a vecchi enigmi. Come mai gli esseri umani sopravvi-vono con un genoma così orribilmente ingombro di frammen-ti parassitici di DNA che sembrano inutili? Come mai è cosìdifficile donare un animale adulto, e così facile donare unembrione? Perché certi caratteri saltano le generazioni in mo-do apparentemente imprevedibile? Sul prossimo numero di«Le Scienze», vi racconteremo le ultime scoperte su come fun-ziona lo strato cromosomiale dei fenomeni epigenetici e suiprimi tentativi di sfruttare l'epigenetica in medicina e nellebiotecnologie.

LE SCIENZE 424 /dicembre 2003

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