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Cani guida
Il cane boxer ideale è forte, squadrato, liscio. Gli allevatori lo apprezzano per la sua testa cesellata. La bellezza della testa dipende dalla proporzione armoniosa del muso rispetto al cranio, leggi gli standard dell'American Kennel Club per la razza. Il muso smussato è un terzo della lunghezza della testa dall'occipite alla punta del naso e due terzi della larghezza del cranio. Intelligente e vigile, un pugile trasmette grazia ad ogni movimento.
Anche la struttura del genoma alla base della corporatura aggraziata del pugile è stupenda, afferma Kerstin Lindblad-Toh, la biologa molecolare che ha guidato lo sforzo per sequenziare il genoma del cane. In qualità di condirettore del programma di sequenziamento e analisi del genoma presso il Broad Institute for genomic medicine, Lindblad-Toh ha anche supervisionato progetti che coinvolgono il topo e l'opossum, quindi è ben qualificata per valutare la bellezza genomica del pugile. La fonte di quella bellezza è una relativa mancanza di diversità genetica, il risultato di cento anni di allevamento strettamente controllato di tratti come i crani armoniosamente proporzionati. L'omogeneità genetica all'interno delle razze canine e la ristrettezza delle differenze tra loro, significano che il genoma del cane contiene indizi preziosi sulle cause delle malattie comuni sia nei cani che nell'uomo.
Il genoma del cane è lungo circa 2,4 miliardi di basi, ma il gruppo di Lindblad-Toh è stato in grado di sequenziarlo in soli sei mesi. Il Broad Institute, gestito congiuntamente dal MIT e dall'Università di Harvard, è una centrale genetica, in grado di sequenziare 60 miliardi di basi (le lettere dell'alfabeto genomico) con una precisione del 99% ogni anno, l'equivalente di diversi progetti sul genoma umano. Ha una capacità di sequenziamento maggiore di quasi qualsiasi altra struttura pubblica o accademica al mondo.
Oggi, gran parte di quella capacità è assegnata al progetto del genoma dei mammiferi di Broad. The Broad è uno dei tre centri di ricerca finanziati dal National Institutes of Health in un grande sforzo per portare il numero di mammiferi i cui genomi sono stati sequenziati fino a circa 30 entro i prossimi anni. (Gli altri due centri sono al Baylor College of Medicine di Houston e alla Washington University School of Medicine di St. Louis.) Lindblad-Toh sta supervisionando i progetti di sequenziamento e analisi per più di 20 animali al Broad, fornendo risorse ai ricercatori che fare affidamento su modelli animali quando si studiano le malattie umane. Gli sforzi del suo team getteranno più luce su come il nostro genoma è regolato e colmeranno le lacune nella nostra comprensione della storia evolutiva umana. In definitiva, questo lavoro potrebbe aiutare a rispondere ad alcune domande convincenti: cosa rende un mammifero un mammifero, un primate un primate e cosa ci rende umani?
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Guarda le immagini dell'Istituto Broad e del loro lavoro.
Selezione innaturale
Nel 2002, quando i ricercatori cinofili hanno chiesto a Lindblad-Toh di sequenziare il genoma dell'animale, ha pensato: Oh, wow, questo deve essere il modello ideale. L'allevamento diretto dall'uomo ha prodotto shar-peis rugosi, Rhodesian ridgeback con la cresta e sottili borzoi con belle linee. Ma quando ti arricchisci per specifici tratti desiderabili, spesso sfortunatamente catturi con loro tratti di malattia, dice Lindblad-Toh. Insieme ai suoi tratti distintivi, ogni razza ha vulnerabilità genetiche distintive: difetti dello sviluppo, malattie cardiache, problemi all'anca, cancro. I cani soffrono di molte delle stesse malattie degli umani, quindi i ricercatori possono usare il loro genoma per identificare le cause genetiche delle malattie in entrambe le specie.
Lindblad-Toh e i suoi collaboratori presso il National Human Genome Research Institute (parte del NIH) hanno dovuto prima determinare quale razza sequenziare. Gli esseri umani hanno drasticamente ridotto la diversità genetica di alcuni cani allevando, ad esempio, solo i bulldog più arcuati e i boxer con la mascella più squadrata. Il sequenziamento di una razza con poca diversità genetica è più facile, perché le due copie di ciascun cromosoma, una dalla madre, una dal padre, sono simili tra loro. Quindi, quando un'analisi preliminare ha suggerito che i pugili sono tra le meno geneticamente diverse di tutte le razze canine, i ricercatori hanno avuto il loro soggetto.
Anche quando la diversità genetica è limitata, disegnare un genoma è come mettere insieme un puzzle molto grande e molto difficile i cui pezzi sono sparsi per tutta la casa, incastrati tra i cuscini del divano o sotto un barattolo di senape in fondo al frigorifero. In primo luogo, i ricercatori devono individuare e identificare tutti i pezzi; poi affrontano il formidabile compito di assemblare il puzzle. Lindblad-Toh e i suoi collaboratori hanno trascorso sei mesi a sequenziare segmenti del genoma di una pugile femmina e tre o quattro volte più a lungo a metterli insieme e ad analizzarli. Hanno pubblicato il genoma del cane, insieme a un'ampia analisi che lo confronta con il genoma del topo e dell'uomo, sulla rivista Natura nel dicembre 2005.
Lindblad-Toh e il suo team hanno anche confrontato il genoma del boxer con la sequenza di indagine esistente del genoma del barboncino e le sequenze parziali dei genomi di altre nove razze canine che avevano preparato per lo scopo. Come si aspettavano, sebbene ogni razza abbia i suoi tratti distintivi e le sue mutazioni, tutte le razze sono ancora molto simili tra loro. (Le razze domestiche non sono in circolazione da abbastanza tempo perché si insinuasse molta diversità.) Queste somiglianze all'interno e tra le razze canine dovrebbero rendere più facili da individuare le mutazioni legate alla malattia. I ricercatori del Broad e di altri studi stanno attualmente scoprendo i geni della malattia nei cani con l'aiuto dell'American Kennel Club/Canine Health Foundation e della Morris Animal Foundation. I ricercatori vanno alle esposizioni canine per raccogliere campioni di sangue e pedigree, oppure ottengono campioni dai veterinari. Usando i microarray del DNA, cercano quindi le differenze genetiche tra cani sani e quelli con malattie.
Lindblad-Toh afferma che lei e altri ricercatori di Broad hanno identificato circa 10 geni per tratti semplici come il colore del mantello e malattie complesse come il cancro; stanno anche esaminando i geni associati alla cardiomiopatia e al diabete. Naturalmente, quando trovi un gene della malattia del cane, guardi immediatamente nelle persone con la stessa malattia, dice. I cani e gli esseri umani sono strettamente imparentati e condividono versioni della maggior parte degli stessi geni.
Tuttavia, è molto più facile scoprire le mutazioni della malattia nei cani. Due rottweiler casuali sono molto più strettamente correlati di due umani casuali. Se i due rottweiler sviluppano entrambi un cancro alle ossa, che è comune nella loro razza, la malattia sarà probabilmente causata da diverse mutazioni portate da entrambi i cani. Ma due umani con cancro alle ossa hanno meno probabilità di avere mutazioni che causano malattie in comune. Per gli studi sul cancro, abbiamo avuto da 50 a 100 cani malati, afferma Lindblad-Toh. Avresti bisogno di un campione molto più ampio di umani - migliaia di pazienti e persone sane - per vedere modelli simili. Capire quali mutazioni causano una malattia nei cani aiuta i ricercatori a capire dove cercare mutazioni che causano malattie negli esseri umani.
Quasi due anni dopo la pubblicazione del genoma del cane, le sue promesse come strumento per lo studio delle malattie umane iniziano a essere confermate. Lindblad-Toh afferma che il suo gruppo spera di identificare le mutazioni coinvolte nell'osteosarcoma, un cancro raro ma mortale nell'adolescenza. Sarà molto eccitante entro il prossimo anno vedere se applicare [intuizioni dallo studio delle mutazioni genetiche del cane] a pazienti umani con le stesse malattie mostrerà anche mutazioni negli stessi geni, dice. La mia previsione è sì. Penso che se riesci a trovare forti fattori di rischio nelle persone usando i cani, sarebbe un grande vantaggio.
Oltre i geni
Quando abbiamo analizzato il topo e il genoma umano, abbiamo scoperto che sono funzionali al 5%, afferma Lindblad-Toh. Cioè, il 5% del genoma di ogni creatura è molto simile al 5% dell'altro, suggerendo che le sequenze correlate devono servire a uno scopo. Il genoma del cane si è rivelato avere lo stesso 5% che si sovrappone negli umani e nei topi, il che conferma che non è solo una coincidenza. La maggior parte di quel 5 percento, tuttavia, non sono geni.
Il nostro genoma è composto da 46 cromosomi, che sono distinte e lunghe catene di composti organici noti come A, T, C e G, le lettere del DNA. Sequenziare il genoma significa capire quale lettera, o base, si trova in ogni punto lungo ogni catena. I geni sono tratti in cui le basi scandiscono un codice che può essere tradotto in proteine; costituiscono l'1,5% del genoma. Ma un sorprendente 95% del nostro genoma è gobbledygook incline alla mutazione, l'equivalente genetico delle frasi che puoi fare sbattendo la testa su una tastiera per la frustrazione.
Ora i biologi stanno cercando di caratterizzare le parti funzionali del genoma che non sono geni, regioni che ritengono svolgano un ruolo importante nella regolazione dei geni. Vogliono identificare queste regioni e scoprire quali elementi contengono, come sono organizzate le regioni e come funzionano.
Il modo migliore per trovare gli elementi normativi in mezzo al gobbledygook è guardare ciò che è conservato, ciò che rimane lo stesso, in più specie. Il confronto dei genomi è quasi come la stele di Rosetta, afferma Lindblad-Toh. Con lo stesso messaggio scolpito nell'alfabeto greco, nei geroglifici e nella scrittura demotica (una sorta di geroglifico corsivo), la stele di Rosetta ha permesso di decifrare gli ultimi due sistemi di scrittura. Nei genomi, allo stesso modo, hai una serie di lettere; tutto ciò che è importante rimarrà lo stesso.
La maggior parte del genoma è semplicemente spazio morto tra i geni, dove la sequenza delle basi non è importante per le funzioni della vita. Le mutazioni che si verificano in tali allungamenti occasionalmente producono sequenze funzionali, ma di solito non sono né utili né dannose. Ciò significa che si accumulano in tempi relativamente brevi: non esercitando alcuna influenza sulle possibilità di riproduzione di un individuo, non sono soggetti alla selezione naturale, quindi vengono trasmessi a un ritmo molto maggiore rispetto ai cambiamenti nelle aree funzionali, che sono spesso dannosi.
Più tempo evolutivo c'è tra due [specie] di mammiferi, più cose non importanti cambieranno, dice Lindblad-Toh. Ma una stringa di DNA la cui sequenza è conservata invariata tra le specie probabilmente ha una funzione importante. Una volta che i ricercatori individuano quelle sequenze nelle aree tra i geni, possono testarle individualmente per determinarne le funzioni.
Tuttavia, confrontare il genoma umano con quello di un organismo lontanamente imparentato come il lievito è difficile: per estendere la metafora della stele di Rosetta, i due testi portano troppi messaggi diversi. Confrontare i genomi che portano molti degli stessi messaggi, come quelli dell'uomo e del cane, è più produttivo. Per comprendere veramente il genoma umano, ci stiamo concentrando sui mammiferi, afferma Lindblad-Toh. Grandi scienziati, alcuni dei quali hanno partecipato al Progetto Genoma Umano prima che l'istituto fosse fondato nel 2003, sono stati coinvolti nel sequenziamento di scimpanzé, topo, cane e cavallo, tra gli altri animali (vedi The Broad's Menagerie, p. M17) . Al Broad sono in corso anche i lavori sulla cavia, l'elefante, il coniglio, il piccolo pipistrello marrone, il cucciolo di cespuglio e lo scoiattolo di terra.
I ricercatori hanno inizialmente scoperto il 5% funzionale del genoma umano confrontandolo con quello di un solo altro animale, il topo. L'aggiunta del genoma del cane ha creato una potente triade. Ora i ricercatori si stanno concentrando su cosa fanno gli elementi funzionali non genici. Stanno crescendo le prove che regolano il genoma. Senza elementi regolatori, un gene sarebbe come un libro non letto che prende polvere nell'angolo di un magazzino di una biblioteca: solo una stringa inerte di lettere.
Sapere cosa fa ogni gene è molto importante, ma non basta. Alcune malattie sono chiaramente dovute alla mancanza di una proteina, afferma Lindblad-Toh; le carenze enzimatiche ne sono un esempio. Ma con malattie comuni come il cancro o il diabete, potrebbe essere solo una funzione di quante o quante poche proteine produci e se le produci al momento giusto o meno. Sembra probabile che tali fattori siano controllati da elementi normativi.
La mia forte convinzione è che molte malattie comuni siano causate da mutazioni regolatorie, afferma Lindblad-Toh. Le prime ricerche del Broad Institute sul genoma del cane sembrano supportare la sua ipotesi. Ampi ricercatori sono alla ricerca di mutazioni associate a diversi tratti e malattie, tra cui il colore del mantello bianco, problemi alla tiroide, cancro alle ossa, problemi cardiaci e febbre shar-pei. Per molti di questi, ci sono prove preliminari che le mutazioni responsabili si trovano al di fuori dei geni, negli elementi regolatori.
Azzerare dove si trovano questi elementi nel genoma è molto più facile che capire cosa fanno e come. Un tipo di regolatore, chiamato potenziatore, avvia il processo che consente ai geni di trasmettere le proprie informazioni. I potenziatori possono trovarsi all'interno, vicino o molto lontano dai geni che regolano. I ricercatori ipotizzano che le proteine si leghino a un potenziatore ea un'area immediatamente precedente un gene; si legano anche tra loro, trascinando il DNA in un anello e consentendo l'inizio della trascrizione del gene. Ma tali meccanismi stanno appena iniziando a essere compresi.
Cosa ci rende Mammiferi
Il confronto del genoma del cane con quello del topo e dell'uomo ha aiutato i ricercatori a identificare una serie di elementi regolatori; ulteriori analisi hanno mostrato che in tutti e tre i mammiferi, metà di questi elementi sono raggruppati intorno a soli 240 geni. In altre parole, un enorme 50 percento dei nostri elementi più conservati sembra regolare non molto più dell'1 percento dei nostri geni.
Quindi cosa fanno quei geni per meritare un trattamento così speciale? Si scopre che svolgono ruoli fondamentali durante lo sviluppo. Controllano il nostro piano corporeo, l'equivalente biologico di un progetto. Dettando la configurazione delle nostre spine, la struttura del nostro cervello e la posizione dei nostri pollici opponibili, ci rendono vertebrati, mammiferi, primati.
Ovviamente è di fondamentale importanza che tu produca un piede dove va il tuo piede e non sulla tua testa a volte per caso, dice Lindblad-Toh. Quello che pensiamo di aver scoperto è che intorno a questi circa 200 geni si trova una grande proporzione di questi elementi regolatori. Sono fondamentalmente i regolatori principali dei geni principali che rendono i mammiferi i mammiferi. Alcuni di questi elementi regolatori raggruppati sono così importanti che sono meglio conservati tra le specie rispetto ai geni.
Un'analisi del genoma dell'opossum pubblicata dal Broad lo scorso maggio supporta ulteriormente l'ipotesi di Lindblad-Toh secondo cui esistono regolatori principali dei mammiferi. Gli opossum sono su un ramo diverso dell'albero genealogico dei mammiferi: sono marsupiali, mentre umani, cani e topi sono euteri, mammiferi con placenta. Per ogni genoma che aggiungiamo, continuiamo a basarci sull'ipotesi che il 5% funzionale dei genomi di umani, topi e cani sia specifico dei mammiferi e degli euteri, afferma Lindblad-Toh. Guardando l'opossum e altri rami principali dell'albero vertebrato, vediamo che c'è un'innovazione aggiunta. Cioè, gli opossum non condividono la totalità del 5% che fanno i mammiferi placentati. Gran parte della variazione negli elementi regolatori nei marsupiali riguarda i geni del piano corporeo. Queste variazioni possono essere ciò che rende gli opossum marsupiali e ciò che non varia può essere una parte importante di ciò che costituisce il mammifero.
Lindblad-Toh dice che è troppo presto per chiedersi cosa renda un primate un primate o cosa renda umani gli umani. Sembra probabile, tuttavia, che lo sviluppo nei percorsi neurali sia regolato da geni specifici dei primati. Ogni ordine, ogni specie animale ha probabilmente le proprie innovazioni, controllate da regolatori principali in aree non geniche del genoma.
In questo momento, dice Lindblad-Toh, lei e altri ricercatori di Broad stanno solo cercando di mettere insieme un catalogo di base di questi regolatori principali. Una volta sequenziate più specie, sarà possibile iniziare a rispondere alle domande più grandi. Mentre quel serraglio di genomi continua a crescere, i cani, i migliori amici dell'uomo sul campo e in fattoria, si stanno dimostrando validi compagni anche in laboratorio.