genomica strutturale

genomica strutturale

genòmica strutturale locuz. sost. f. – La genomica è la disciplina che si occupa della struttura, sequenza, funzione ed evoluzione del genoma, vale a dire di tutta l’informazione genetica contenuta nel DNA presente nelle cellule di una particolare specie. La grandezza del genoma e il numero dei geni ivi contenuti variano tra gli organismi viventi. La g. s. si occupa della mappatura genetica, di quella fisica e del sequenziamento di interi genomi.

Sequenziamento dei genomi. – Esistono due approcci per sequenziare un genoma. Il primo crea inizialmente una mappa che permette di suddividere il genoma in diversi segmenti attraverso la costituzione di mappe genetiche e fisiche e, successivamente, prosegue con il sequenziamento dei vari segmenti. Questo approccio è analogo a quello che consiste nello ordinare i capitoli di un libro e poi trovare le parole comprese in ogni capitolo. Il secondo approccio, denominato whole-genome shotgun, ovvero sequenziamento diretto, prevede la frammentazione casuale del genoma in segmenti parzialmente sovrapposti e poi il loro sequenziamento. La sequenza genomica è in seguito assemblata dal computer sulla base delle sovrapposizioni di sequenza tra i frammenti. Questo approccio è analogo a quello di strappare diverse copie dello stesso libro per poi ricostruirne una copia completa rimettendo insieme le pagine che si sovrappongono. Con tale modalità è stato sequenziato il primo genoma di una cellula vivente, quello del batterio Haemophilus influentiae. La stessa tecnica è stata utilizzata per sequenziare il genoma umano.

Mappatura. – Per sviluppare una mappa fisica del genoma, oltre che localizzare e orientare le sequenze ottenute in diversi laboratori, sono stati utilizzati i siti STS (Sequence-tagged site), ovvero siti unici nel genoma caratterizzati da brevi sequenze (circa 200÷500 paia di basi). Questi marcatori STS comprendono sequenze ottenute da regioni non ripetitive del genoma, sequenze appartenenti a sequenze codificanti (EST,Expressed sequence tag) e microsatelliti polimorfici. Agli inizi del Progetto genoma umano (v. ), le librerie di DNA genomico disponibili contenevano inserti lunghi fino a 40 kb; l’uso di sequenze così brevi avrebbe richiesto diverse centinaia di migliaia di cloni differenti affinché il 100% del genoma umano fosse rappresentato nella libreria. Sono stati così sviluppati nuovi metodi che si servivano di cromosomi ‘artificiali’ di eucarioti: per mappare il genoma umano sono state utilizzate mappe geniche (di trascritti) ad alta risoluzione e mappe di siti STS impiegando cloni di nuova generazione ottenuti da BAC (Bacterial artificial chromosome), cromosomi artificiali ibridi costituiti da frammenti di DNA umano e batterico.

Genomi sequenziati. – Il sequenziamento dei genomi di diversi organismi ha permesso di conoscere a oggi (2012) la sequenza completa di circa 2360 virus, 3532 batteri e 586 organismi eucarioti. Alcuni di questi rappresentano modelli di elezione per lo studio delle funzioni del genoma. Il primo genoma procariotico a essere stato completamente sequenziato, quello dell’eubatterio Haemophilus influentiae, è lungo 1,83 Mb e il suo sequenziamento, avvenuto nel 1995, ha costituito una pietra miliare della biologia perché per la prima volta si è riusciti a descrivere il genoma di un organismo capace di vita indipendente. Successivamente sono stati determinati i genomi del batterio Escherichia coli, dell’archeobatterio Methanococcus jannaschii, dei lieviti Saccharomyces cerevisiae e Schizosaccharomyces pombe, del moscerino della frutta Drosophila melanogaster. Nel 2002 è stato sequenziato il genoma di Plasmodium falciparum, parassita unicellulare che causa la malaria, e contemporaneamente è stato pubblicato il genoma completo del suo vettore, la zanzara Anopheles gambiae. Nello stesso anno è stato completato il sequenziamento del primo genoma di un organismo eucariotico pluricellulare, quello del nematode Caenorhabditis elegans; benché si tratti di un organismo semplice, esso costituisce un importante modello per la ricerca. Sempre nel 2002 è stato completato anche il genoma del pesce palla Fugu rubripes: è circa otto volte più piccolo di quello umano, ma con una densità genica che è otto volte maggiore, a causa del minore numero di introni e di una piccola quantità di DNA ripetuto, caratteristiche che rendono il DNA di questo organismo molto utile per la ricerca. Per quanto riguarda i genomi di mammiferi, sono stati sequenziati completamente quelli dell’uomo (la sequenza dell’ultimo cromosoma è stata pubblicata nel 2006), del topo e del ratto. Sebbene quello umano risulti il più grande, tutti e tre questi mammiferi possiedono all’incirca lo stesso numero di geni. La loro sequenza rivela che il 99% circa dei geni di topo e di ratto ha una controparte diretta nell’uomo, inclusi i geni associati alle malattie. Per tale motivo, questo tipo di studi fornirà conoscenze fondamentali anche sull’analisi e sulla cura di diverse patologie umane. Nel 2004 è terminato anche il sequenziamento del genoma di scimpanzé e nel 2006 quello del cane. La comparazione dei diversi genomi sequenziati permette di osservare che non esiste una relazione diretta tra la quantità totale di DNA contenuto nel genoma e la complessità strutturale e organizzativa dell’organismo; è da notare inoltre che un’elevata percentuale dei geni identificati non ha funzione nota.