Studi recenti hanno estrapolato ed esplorato il genoma umano ad alta risoluzione e a tre dimensioni.
Ne è derivata una scultura matematicamente armoniosa ed elegante. Un magnifico frattale!
da scienzaeconoscenza.it
Dopo aver intervistato Dan Winter per il numero in uscita (il 30), inventore del biofeedback
(sintonizzatore del cuore e altri tipi) ed esperto di geometria sacra, di frattali e frattalità, la
notizia che segue ha particolarmente attratto la mia attenzione.
Nel senso che, è da mo’ che Dan Winter si è accorto di quello che Science rende evidente a seguito
di relazioni su studi attualissimi riguardo la struttura frattale del DNA e dell’influenza di tale
struttura sulla funzione globale del genoma.
In poche parole si sta spostando l’attenzione dal discorso della sequenza-contenuto a quello della
forma-posizione nello spazio. L’assunzione da parte dei geni di una posizione spaziale piuttosto di
un’altra, e, a seguito, di una variazione della forma geometrica, sembrano influenzare la
funzionalità dell’intero genoma.
Si potrebbe parlare di una costellazione di cromosomi la cui organizzazione spaziale fa da
regolatore del genoma stesso. E la sua immagine in 3D appare essere, guarda caso, un magnifico
frattale. Matematicamente si tratta di una curva di Hilbert, conosciuta anche come curva
spazio-riempiente o che può riempire uno spazio bidimensionale, senza mai sovrapporsi – e poi
seguire un movimento identico in tre dimensioni. Per la prima volta è stata descritta nel 1891 dal
matematico tedesco David Hilbert
In parte riassunta ecco la news uscita su WiredScience (vedi fonte a fine articolo), l’8 ottobre
scorso a cura di Brandon Keim.
Rompendo il DNA in milioni di pezzi e capovolgendo ingegneristicamente la loro posizione, i
ricercatori hanno prodotto l’immagine a più alta risoluzione mai ottenuta della struttura
tridimensionale del genoma.
L’immagine è una delle eccezionali glorie frattali e la tecnica potrebbe aiutare gli scienziati a
investigare come la forma stessa del genoma e non solo il contenuto del suo DNA influenzi lo
sviluppo umano e la malattia.
Diventa chiaro che l’organizzazione spaziale dei cromosomi è critica nel regolare il genoma ha
detto il co-autore degli studi Job Dekker, un biologo molecolare della Medical School, Università
del Massachusetts. Questo apre a nuovi aspetti della regolazione del gene finora non disponibili
all’indagine. Ci porterà a un bel po’ di nuove domande.
Come descritto nei libri di testo di biologia di base e nell’immaginario del pubblico, il genoma
umano è assemblato in pacchetti di DNA e proteine, di 23 cromosomi, disposti ordinatamente a forma
di X all’interno di ogni nucleo della cellula. Ma questo soltanto nel breve intervallo in cui le
cellule sono sul punto di dividersi. Il resto del tempo, i cromosomi sono presenti in un denso e
sempre mutevole ciuffo.
Per decenni, alcuni biologi cellulari hanno sospettato che la compressione del genoma fosse non solo
un meccanismo efficace di archiviazione, ma legata alla funzione stessa e all’interazione dei suoi
geni. Ma questo non era facile da studiare: l’atto di sequenziare il genoma distrugge la sua forma,
e i microscopi elettronici riescono a malapena a penetrare la sua superficie attiva. Se i suoi
elementi costitutivi sono noti, la vera forma del genoma è stata un mistero.
Nel mese di aprile, un documento pubblicato nel Proceedings of the National Academy of Sciences
aveva legato modelli di attivazione dei geni alla loro vicinanza fisica ai cromosomi. Ciò fornisce
ancora la prova più convincente che attribuisce al genoma la responsabilità di dar forma alla
materia, anche se la mappa dei cromosomi a disposizione dei ricercatori fosse, relativamente, a
bassa risoluzione. Non conoscevamo l’organizzazione interna. Ora possiamo osservarla in alta
risoluzione, cercare di collegare tale struttura con l’attività dei geni, e vedere come cambia la
struttura nelle cellule e nel tempo “, ha detto Dekker.
Per determinare la struttura del genoma, senza essere in grado di vederlo direttamente, i
ricercatori prima hanno immerso i nuclei cellulari nella formaldeide, che interagisce con il DNA
come la colla. La formaldeide appiccica insieme i geni che sono distanti gli uni dagli altri in
lineari sequenze genomiche, ma adiacenti gli uni agli altri nel reale spazio tridimensionale del
genoma.
I ricercatori hanno poi aggiunto una sostanza chimica che ha dissolto i legami della sequenza
lineare gene dopo gene, lasciando però i collegamenti della formaldeide intatti. Studiando le
coppie, i ricercatori sono stati in grado di dire quali geni erano vicini gli uni agli altri nel
genoma originale. Con l’aiuto di un software che con riferimenti incrociati univa le coppie del gene
con le loro sequenze conosciute nel genoma, hanno assemblato una scultura digitale del genoma. E che
scultura!
“Non ci sono nodi. E’ completamente disimpigliata. È come una palla incredibilmente densa di
spaghetti, ma è possibile estrarre alcuni degli spaghetti e rimetterli dentro, senza affatto
disturbare la struttura”, ha detto il biologo computazionale Erez Lieberman-Aiden, della Harvard
University, anch’egli un co-autore agli studi.
Come l’evoluzione sia arrivata a questa soluzione dalla sfida dello stoccaggio del genoma è
sconosciuta. Potrebbe essere una proprietà intrinseca della cromatina, del DNA-e-mix di proteine di
cui sono fatti i cromosomi. I ricercatori hanno anche scoperto che i cromosomi hanno due regioni,
una per i geni attivi e un altra per i geni inattivi, e le curvature libere consentono ai geni di
essere trasferiti facilmente tra di loro.
Lieberman-Aiden ha paragonato la configurazione alle fila compresse di scaffali meccanizzati che si
trovano nelle grandi biblioteche. “Sono come pile, l’una accanto all’altra e l’una sull’altra, senza
alcuno spazio in mezzo. E quando il genoma vuole usare un gruppo di geni, si apre la fila. La
segregazione dei geni attivi e non, aggiunge elementi di prova che la struttura del genoma interessa
la funzione del gene.
E’ una buona descrizione della struttura del nucleo, che aggiunta a quello che abbiamo fatto,
costituisce il quadro generale”, ha detto Steven Kosak, un biologo cellulare della Northwestern
University e co-autore della relazione di aprile PNAS, che lega i grezzi contorni di accordo del
cromosoma con l’attivazione del gene. Sebbene lo studio abbia guardato solo un paio di cromosomi, la
relazione di Science “guarda all’alta risoluzione dell’intero genoma”, ha detto Kosak.
“Ora si è in grado di produrre queste mappe del genoma, e sovrapporle con le estese analisi del
genoma a livello dell’espressione genica. Si può veramente cominciare a chiedersi come i cambiamenti
di organizzazione spaziale si riferiscano ai cambiamenti nei geni che si accendono e spengono”, ha
detto Tom Misteli, un biologo cellulare al National Cancer Institute, che studia come le anomalie
nella struttura dei cromosomi possano attivare le cellule cancerose. Peraltro, né Misteli né Kosak
sono stati coinvolti nello studio di Science.
Collegare la forma del genoma con la funzione del gene potrebbe anche aiutare a spiegare la
connessione tra geni e malattie, che rimane in gran parte inspiegabile dalla genomica tradizionale,
focalizzata sulla sequenza.
“E ‘perfettamente ragionevole e quasi inevitabile che la struttura 3-D del DNA influenzi il suo
funzionamento”, ha dichiarato Teri Manolio, direttore dell’ufficio del National Human Genome
Research Institute of Population Genomics.
I ricercatori vogliono anche studiare come si alteri la forma del genoma. Sembra che accada
costantemente durante la transizione da cellule staminali a cellule adulte, e poi durante la
funzione cellulare. [fine del rapporto news]
È lecito chiedersi quale apporto e ripensamento queste nuove scoperte possano portare alla
manipolazione genetica. Spostare gli addendi del genoma, alla luce di tali novità, non sembra essere
un leggero giochetto da ragazzi. Non è solo una mera questione di forma, ma un profondo intervento
invasivo sulla funzionalità. Conviene tenerne conto.
Fonte: www.wired.com/wiredscience/2009/10/fractal-genome/
Traduzione e riadattamento di Elsa Masetti, per Scienza e Conoscenza
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