Nasce una nuova era verso la mappatura completa del genoma umano. Un team di ricercatori del National Human Genome Research Institute (NHGRI), è riuscito in un’impresa che ha dell’incredibile.

Già nel 2003 il genoma umano era stato sequenziato e gli scienziati erano riusciti ad averne una buona comprensione generale. Ma c’era qualche mancanza nella sequenza che doveva essere ancora colmata. Adesso, attraverso il sequenziamento ai nanopori, è stato possibile aggiungere informazioni ed ottenere ora una sequenza completa del cromosoma X.

 

Perché il cromosoma X

Dei 24 cromosomi umani (inclusi X e Y), gli autori dello studio Phillippy e Karen Miga,  dell’Università della California, Santa Cruz, hanno scelto di completare per prima la sequenza del cromosoma X a causa del suo legame con diverse malattie.

Il risultato è stato ottenuto grazie a un’innovativa tecnica di sequenziamento del Dna che ha permesso di ricostruire per la prima volta il cromosoma X in tutte le sue parti.

Di solito si riescono a sequenziare piccoli frammenti che vengono poi uniti per costruire il genoma. Queste regioni ripetitive non riuscivano ad essere spiegate, perchè sono molto grandi, ha commentato Francesco Nicassio, coordinatore del Centro di scienza genomica di Milano dell’Istituto italiano di tecnologia (Iit).

 

Cromosoma, da telomero a telomero

Dopo due decenni dal sequenziamento del genoma umano nessun cromosoma era stato mai completato da un capo all’altro, spiegano gli autori, e rimanevano centinaia di migliaia di buchi da colmare. Per questo gli scienziati, guidati da Karen Miga, hanno lavorato per ottenere la prima sequenza completa da telomero a telomero (la regione terminale) di un cromosoma.

Ogni cellula umana normale contiene 23 coppie di cromosomi, che a loro volta includono da centinaia a migliaia di geni. Il dna è stato impacchettato e organizzato in filamenti molto lunghi nei cromosomi. Un archivio con tutte le informazioni genetiche che, duplicandosi, le trasmettono alle cellule dello stesso organismo.

 

Le fasi iniziali

Nelle fasi iniziali del “Progetto genoma umano”, gli scienziati potevano leggere 500 basi alla volta o 500 lettere per sequenza. A metà degli anni 2000, la quantità di DNA che poteva essere letta alla volta era ridotta (100-200 basi), ma l’accuratezza della tecnologia aumentava.

Poi, intorno al 2010, è arrivata sul mercato una nuova tecnologia in grado di leggere 1.000-10.000, e ora più recentemente 100.000 o più basi alla volta grazie alla tecnologia dei nanopori. La tecnologia dei nanopori prevede l’imbuto di singole molecole di DNA attraverso un piccolo foro. I cambiamenti nel flusso corrente determinano il sequenziamento genetico.

Abbiamo scelto una linea cellulare unica che ha due copie di ogni cromosoma, proprio come una cellula normale, ma ognuna di queste copie è identica l’una all’altra. Invece di dover risolvere il genoma di due genomi, avevamo solo una versione di cui preoccuparsi. Quindi puoi far crescere clonalmente queste linee cellulari, in modo da non avere variazioni in esse, e poi metterle in sequenza su questi strumenti, ha detto il dott. Adam Phillippy del National Human Genome Research Institute in una nota.

 

La nuova tecnica

“Il progetto è stato possibile grazie alle nuove tecnologie di sequenziamento, che permettono delle “letture ultra-lunghe”, ha precisato Karen Miga. Nello specifico, la tecnica usata è quella del sequenziamento del nanoporo, che consente di leggere la molecola di Dna per intero, nonostante sia molto lunga. “In questo caso i ricercatori sono riusciti a ottenere delle sequenze lunghe un milione di basi, quando normalmente se ne riuscivano a leggere al massimo un migliaio in un’unica sequenza”, ha spiegato Nicasso.

La nuova tecnica sarà utile per studiare e ricostruire anche le zone più articolate del Dna. “Ciò potrebbe aiutare a chiarire aspetti dell’organizzazione dei cromosomi e delle loro regioni centrali. È un punto di partenza importante. È come se ora avessimo una mappa del cielo con più costellazioni, che permettono di orientarci meglio”, ha concluso Nicasso.

 

Aspetti curiosi del cromosoma X

La produzione di sperma nel maschio dipende in maniera essenziale da geni presenti sul cromosoma sessuale femminile X. E’ questa la sorprendente scoperta fatta da biologi del Whitehead Institute a Cambridge, in Massachusetts, che firmano un articolo, pubblicato in anteprima on line da “Nature Genetics” in cui spiegano anche che il cromosoma X, ritenuto il più stabile di tutto il genoma dal punto di vista evolutivo, in realtà ha subito una fase di cambiamento relativamente rapido.

 

Simili ai topi

I ricercatori hanno scoperto in primo luogo che i cromosomi X umani e quelli dei topi hanno in comune quasi il 95 per cento dei geni in singola copia e che sono espressi in entrambi i sessi (tutti i geni sui cromosomi non sessuali sono presenti in duplice copia, uno su ciascuno dei due cromosomi omologhi).

Circa 340 geni, nessuno dei quali è associato a un tratto mendeliano, non sono però condivisi. Analizzandone il profilo di espressione gennica nei tessuti, i ricercatori hanno poi scoperto con sorpresa che essi sono attivi esclusivamente nelle cellule germinali dei testicoli, dove verosimilmente contribuiscono alla produzione dello sperma.

 

La possibile cura di molte malattie

Nel cromosoma X, il centromero comprende una regione di 3,1 milioni di paia di basi azotate (A, C, T e G, che si accompagnano due a due nella doppia elica del DNA e codificano informazioni genetiche con la loro sequenza). Il team ha usato le varianti nella sequenza ripetuta come “guide” per allineare le varie sequenze lunghe decifrate e collegarle fino a coprire l’intero centromero.

Riempire gli spazi rimasti nelle sequenze del DNA umano permetterà di cercare nuove associazioni tra le loro variazioni e le malattie, tra cui l’emofilia, la malattia granulomatosa cronica e la distrofia muscolare di Duchenne. Potremo comprendere meglio i legami tra biologia umana ed evoluzione.

I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature, mentre i dati del team sono completamente disponibili su GitHub.