PROGETTO GENOMA
PROGETTO GENOMA
Il Progetto Genoma Umano (ingl. Human Genome Project), più noto come PG, è un programma internazionale di ricerca coordinata che ha lo scopo di produrre una mappa dettagliata (fisica e genetica) dell'intero patrimonio genetico della specie umana. L'obiettivo finale, che si attende per quando l'avanzamento tecnologico permetterà costi ragionevolmente contenuti, è determinare la sequenza di ciascuno dei 24 cromosomi che costituiscono il genoma umano (21 autosomi più X e Y), per un totale di 3 miliardi di coppie di basi. Per l'interpretazione dei dati relativi al genoma umano il progetto comprende anche lo studio di organismi ''modello'', che costituiscono un ulteriore obiettivo del progetto.
L'origine del progetto, d'iniziativa statunitense, risale al dicembre 1984; il suo scopo iniziale era in realtà di valutare se l'analisi diretta del DNA fosse uno strumento utile a determinare mutazioni nei sopravvissuti a esplosioni nucleari. Subito dopo (maggio 1985), prese avvio l'ipotesi di sequenziare il genoma umano a scopi di ricerca più miratamente biomedica, come valutare gli effetti a lungo termine delle radiazioni o dell'inquinamento, sotto l'egida del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti. Dopo alcune controversie, nel 1988 fu creato un ufficio per la ricerca sul genoma umano, e in seguito, dal 1989 al 1992, J. D. Watson (v. in questa Appendice) fu direttore del National center for human genome research di Bethesda. Ma non soltanto gli Stati Uniti sono coinvolti in questo progetto: la Comunità europea, la Francia, il Regno Unito e il Giappone hanno finanziato importanti progetti, e anche l'Italia, i Paesi Bassi, la Scandinavia, il Canada e la Russia hanno avviato progetti, sebbene di minori dimensioni. Tutti i lavori sono coordinati dalla Human Genome Organization (HUGO) con sedi a Bethesda, Londra, Osaka e Mosca.
L'avvio di un così ambizioso programma si è concretizzato grazie ai numerosi progressi tecnologici, provenienti dalla ricerca di base, che hanno fornito gli strumenti e hanno quindi reso materialmente attuabile tale progetto. Il concetto alla base di quest'ipotesi di lavoro è stato la scoperta fatta indipendentemente da Solomon e Bodner nel 1979 e da Bolstein e collaboratori nel 1980, che dimostrarono il polimorfismo del DNA umano (1 nucleotide ogni 500 è differente tra due individui) frazionando il DNA con gli enzimi di restrizione. Successivamente l'introduzione della PFGE (Pulsed-Field Gel Electrophoresis, elettroforesi su gel in campo elettrico pulsante) ha permesso d'isolare frammenti di DNA lunghi fino a 10 milioni di coppie di basi. Lo sviluppo della tecnica di produzione di cromosomi artificiali di lievito (Yeast Artificial Chromosomes, YAC) ha quindi fornito un vettore in grado di clonare e replicare porzioni di DNA lunghe fino a 1 megabase, e la scoperta della PCR (Polymerase Chain Reaction, reazione a catena della polimerasi) ha permesso una facile, rapida e accurata amplificazione di piccole regioni di DNA.
Le mappe. - La mappa fisica del genoma è la successione delle coppie di basi azotate in un determinato frammento di DNA e rappresenta la massima risoluzione di mappa. Il PG prevede la costruzione della mappa fisica tramite lo studio di segmenti di DNA tra loro sovrapponibili, clonati in una varietà di vettori. Questi frammenti vengono chiamati all'inglese contigs e sono misurati in unità sia di megabasi (Mb) che di kilobasi (kb). Invece la mappa genetica o mappa di linkage è la collocazione fisica di una caratteristica morfologica o di un polimorfismo genetico o della porzione di DNA responsabile di una patologia, su una determinata porzione di un determinato cromosoma. Ciò si ottiene studiando il trasferimento, da una generazione alla successiva, di un certo numero di caratteri, che possono essere collocati su un singolo cromosoma, in forme alternative. Le distanze di mappa, in unità di ricombinazione, vengono misurate in centimorgan (cM), che equivale a un milione di coppie di basi, cioè un megabase (Mb). Ambedue i tipi di mappa sono tra loro correlati e costituiscono una risorsa fondamentale per tutti gli studiosi che si occupano di struttura, funzione ed espressione genica, ma anche per coloro che studiano le patologie a determinazione genetica (cioè quelle malattie che dipendono da variazioni, naturali o indotte, dei geni responsabili di specifiche attività fisiologiche).
Poiché le dimensioni di un gene variano da 800 nucleotidi a più di un milione di basi, le ricerche sui geni ad attività nota vengono effettuate tramite un processo noto come positional cloning (clonaggio di posizione). Dalla mappa genetica, che stabilisce una collocazione di massima, con tecniche a maggiore risoluzione si restringe la regione oggetto di studio a una dimensione di circa 2 Mb. In questa zona vengono quindi analizzate finemente tutte le differenze presenti negli individui, per es. affetti, con l'aiuto di modelli di espressione tissutale o con le tecniche della citogenetica (v. in questa Appendice) o con quella del Southern blotting (v. biotecnologia, in questa Appendice), che permettono l'identificazione di riarrangiamenti del gene. Il completamento della ricerca, alla fine, passa per l'isolamento e il clonaggio del gene mutato che permette l'analisi della sequenza di basi. Da quest'analisi è possibile dimostrare la presenza di una o più mutazioni negli individui affetti.
Per il quinquennio 1990-95 tra gli obiettivi del PG vi sono, oltre allo sviluppo delle mappe dei 24 cromosomi umani (con marcatori distanti tra loro dai 2 ai 5 cM), il miglioramento della tecnica di sequenziamento del DNA, le mappe genetiche e fisiche degli organismi modello, la raccolta, elaborazione e distribuzione dei dati tramite mezzi informatici, lo studio delle implicazioni etiche, legali e sociali dei risultati e la diffusione delle tecnologie più avanzate. L'obiettivo della mappa fisica del nostro genoma prevede l'assemblaggio di contigs delle dimensioni di almeno 2 Mb sui vari tratti di DNA. Secondo questo approccio il cromosoma Y e il cromosoma 21 sono già stati completati così come circa il 40% del cromosoma X, che consta di ben 160 Mb. Lo sforzo su larga scala in questo senso e il rapido progredire delle tecniche di produzione di mappe a bassa risoluzione per tutti i cromosomi rendono possibile il raggiungimento dell'obiettivo nei tempi previsti. Intanto, viene data grande enfasi alle nuove tecnologie di sequenziamento: tra i nuovi approcci la time of flight mass spectroscopy, le atomic force and scanning tunneling microscopies, la single molecule sequencing (sequenziamento per molecola) e il sequenziamento per ibridazione. Per saggiare la validità di questi metodi è stato spesso utilizzato il nematode Caenorhabditis elegans, di cui ora si conosce la sequenza del DNA. Inoltre altri organismi modello sono stati oggetto di studi di sequenziamento (tra cui il topo, la Drosophila, il Saccaromyces cerevisiae e l'Escherichia coli) e manca ormai poco al sequenziamento completo della mappa genetica del topo, mentre esiste un gruppo di studiosi che si sta occupando di mappare il genoma del moscerino della frutta, la Drosophila melanogaster.
Bibl.: R. Dulbecco, A turning point in cancer research: sequencing the human genome, in Science, 231 (1986), pp. 1055-56; J. D. Watson, R. M. Cook-Deegan, Origins of the human genome project, FASEB J., 5 (1991), pp. 8-11; L. Jordan, The human genome project: where did it come from, where it is going?, in American Journal of Human Genetics, 51 (1992), pp. 1-6; L. W. Engel, The human genome project. History, goals and progress to date, in Archives of Pathology and Laboratory Medicine, 117 (1993), pp. 459-65.