La materia oscura del genoma

Quello che sappiamo sulle leggi fondamentali dell'ereditarietà iniziò a prendere forma nel giardino di un monastero in Moravia a metà del XIX secolo, quando Gregor Mendel, pazientemente incrociò piante di pisello nel corso di diversi anni, separò la progenie secondo le loro distinte tratti e ha scoperto i fondamenti matematici della genetica moderna. Dalla riscoperta del lavoro di Mendel un secolo fa, il vocabolario dell'ereditarietà mendeliana - geni dominanti, geni recessivi e, in definitiva, la nozione di geni malattia della nostra epoca - ha colorato ogni conversazione biologica sulla genetica. Il messaggio si riduce a un'unica premessa: il tuo mix unico di tratti fisiologici e rischi di malattia (conosciuti collettivamente come il tuo fenotipo) può essere letto nella sequenza precisa di basi chimiche, o lettere, nel tuo DNA (il tuo genotipo).

Manca qualcosa: Il genetista Joseph Nadeau ha trovato esempi di quelli che chiama effetti genetici funky che potrebbero aiutare a spiegare il mistero dell'ereditarietà mancante.

Ma cosa succede se, ad eccezione dei casi di alcune rare malattie monogeniche come la malattia di Tay-Sachs, la premessa ignora una parte significativa dell'ereditarietà? E se la sequenza del DNA di un individuo spiegasse solo una parte della storia delle sue malattie e dei suoi tratti ereditari e avessimo bisogno di conoscere le sequenze di DNA dei genitori e forse anche dei nonni per capire cosa sta realmente accadendo? Prima del Progetto Genoma Umano e dell'era del sequenziamento diffuso del DNA, quelle domande sarebbero sembrate ridicole ai ricercatori convinti di sapere meglio. Ma la genomica moderna si è scontrata con un muro mendeliano.

Questa storia faceva parte del nostro numero di gennaio 2011

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Gli studi genomici su larga scala negli ultimi cinque anni circa non sono riusciti principalmente a individuare geni comuni che svolgono un ruolo importante nelle malattie umane complesse. Più di tre dozzine di varianti genetiche specifiche sono state associate al diabete di tipo 2, ad esempio, ma insieme si è scoperto che spiegano circa il 10 percento dell'ereditarietà della malattia, la proporzione di variazione in un dato tratto che può essere spiegata piuttosto dalla genetica. che da influenze ambientali. I risultati sono stati simili per le malattie cardiache, la schizofrenia, l'ipertensione e altre malattie comuni: il mistero è diventato noto come il problema dell'ereditarietà mancante. Francis Collins, direttore del National Institutes of Health, ha talvolta fatto riluttante riferimento alla materia oscura del genoma, un'analogia con le vaste quantità di massa invisibile nell'universo che gli astrofisici hanno dedotto ma hanno lottato per decenni per trovare.

Joseph H. Nadeau ha cercato di scoprire i meccanismi che potrebbero spiegare i componenti mancanti dell'ereditarietà. E sta trovando modalità di eredità precedentemente insospettate quasi ovunque guardi.

Nadeau, che fino a poco tempo fa era presidente di genetica presso la Case Western Reserve University di Cleveland ed è ora direttore della ricerca e degli affari accademici presso l'Institute for Systems Biology di Seattle, ha condotto studi che dimostrano che alcuni tratti nei topi sono influenzati da tratti specifici di varianti DNA che è apparso sui cromosomi dei genitori o dei nonni ma non compare da solo. La genetica transgenerazionale, come lui chiama questi insoliti modelli di ereditarietà, si inserisce in parte sotto l'ombrello dell'epigenetica tradizionale: l'idea che i cambiamenti chimici provocati da esposizioni ed esperienze ambientali possano modificare il DNA in modi da attutire un gene normalmente vocale o ripristinare la voce di un gene che era stato messo a tacere. I ricercatori hanno iniziato a scoprire che questi cambiamenti sono ereditari anche se alterano solo il modello di espressione genica, non il codice genetico effettivo. Eppure è sia più sconcertante che più profondo suggerire, come fa lui, che i geni portati da un antenato ma non tramandati possono influenzare i tratti e le malattie nelle generazioni successive.

Consideriamo i risultati di un esperimento che Nadeau e la sua collega Vicki R. Nelson hanno pubblicato lo scorso agosto. Hanno creato un ceppo consanguineo di topi e poi hanno confrontato due gruppi di femmine che erano geneticamente identici tranne per una piccola differenza: un gruppo aveva un padre il cui cromosoma Y proveniva da un altro ceppo di topi e conteneva un diverso insieme di varianti genetiche. Ciò non dovrebbe aver influito affatto sui topi figlia, perché le femmine non ereditano il cromosoma Y. Ma la presenza di quel DNA non ereditato nella generazione precedente ha esercitato un profondo effetto su molti degli oltre 100 tratti testati nei due gruppi di figli femminili, il cui DNA era esattamente lo stesso. Questi risultati, hanno concluso Nelson e Nadeau, suggeriscono che gli effetti genetici transgenerazionali rivaleggiano con la genetica convenzionale in frequenza e forza.

In una linea di esperimenti separata ma altrettanto inquietante, Nadeau e i suoi collaboratori stanno scoprendo che l'impatto di un dato gene dipende da tutti gli altri geni che lo circondano. Nadeau non è certo l'unico scienziato a identificare queste complesse interazioni gene-gene, ma lui e i suoi colleghi hanno creato un set unico di topi geneticamente modificati che sta dando loro e ad altri scienziati strumenti precisi senza precedenti per sezionare questa genetica situazionale e mostrare come le varianti in le vicinanze molecolari di un gene influenzano il modo in cui si comporta.

Risultati come questi, presi insieme, potrebbero far luce sul problema dell'ereditarietà mancante, ma a costo di capovolgere il predominio delle idee mendeliane tradizionali su come funziona l'ereditarietà. Seduto sul ponte esterno dell'Institute for Systems Biology un pomeriggio recente, sgranocchiando un panino mentre gli idrovolanti scendevano verso lo skyline di Seattle, Nadeau ha ricordato di aver tenuto un discorso su tutto questo in una conferenza diversi anni fa e di aver scoperto in seguito che un importante esponente della Ivy League genetista presente, che ha rifiutato di nominare, semplicemente non riusciva a togliersi dalla testa le idee eretiche. È venuto da me dopo il discorso, ha ricordato Nadeau, e ha detto: 'Questo non può essere vero negli umani'. E poi, quando l'incontro è finito, mi sono imbattuto in lui all'aeroporto, e lui è venuto da me e ha detto: 'Questo non può essere vero negli umani'. , Se si verificano effetti transgenerazionali negli esseri umani, siamo fottuti.

Vale a dire, scoprire che le sue scoperte si applicano agli esseri umani disaccoppia la sequenza del DNA di una persona dai suoi tratti, mettendo in discussione gran parte del lavoro svolto dagli scienziati per trovare le fonti genetiche di malattie complesse e sviluppare farmaci che le colpiscano. In un momento in cui le aziende analizzano il DNA dei clienti a pagamento, queste idee renderebbero i risultati molto più difficili da interpretare dal punto di vista medico e molto più complicati da valutare quando si cerca di fare una diagnosi o calcolare il rischio di malattia.

Eric J. Topol, che dirige la ricerca genomica presso lo Scripps Research Institute di La Jolla, in California, concorda sul fatto che la genomica è diventata improvvisamente molto più complicata. Ci sono un sacco di cose non mendeliane in corso, dice, e ce ne sono molte che dovremo risolvere che non hanno nulla a che fare con la sequenza del DNA.

GENETICA DELLA ROVINA
Nel 2009, un gruppo di ricercatori con sede nei Paesi Bassi ha pubblicato uno stupefacente studio sulla genetica dell'altezza umana, sorprendente perché non è riuscito a trovare gran parte di una componente genetica in uno dei tratti umani ereditari più evidenti. Il gruppo ha analizzato 54 posizioni genetiche recentemente identificate che l'analisi statistica ha suggerito come i principali contributori all'altezza e ha scoperto che tutte insieme rappresentavano solo dal 4 al 6% della variazione di altezza in migliaia di soggetti.

L'ereditarietà mancante nello studio dell'altezza caratterizza molti rapporti di ricerca recenti in cui schermi genetici su larga scala, noti come studi di associazione su tutto il genoma, hanno identificato una moltitudine di geni (o almeno quartieri genetici) che sono statisticamente associati a un tratto biologico come altezza o una malattia come l'obesità, ma spiegano mistificantemente poco della sua propensione a funzionare nelle famiglie. Ciò che è interessante delle scoperte di Nadeau è che, anche se diminuiscono il significato dei singoli geni e delle sequenze di DNA degli individui, la ricerca conserva - e in qualche modo aumenta - il significato della storia familiare, poiché anche le varianti genetiche che genitori e nonni indossano 't tramandare attraverso il DNA sembrano influenzare i tratti dei loro figli o nipoti.

Nadeau, dai capelli d'argento e allegro, ha studiato quelli che a volte chiama risultati genetici stravaganti da quando le sofisticate tecnologie di sequenziamento sono diventate disponibili circa 10 anni fa. Alcuni di questi risultati sono stati suggeriti dall'epigenetica tradizionale, che ha iniziato a tracciare i cambiamenti che vengono trasmessi da una generazione all'altra negli animali anche se la sequenza di base del DNA rimane la stessa. (Ad esempio, i ricercatori hanno scoperto che i ratti le cui prestazioni cognitive sono state migliorate attraverso fattori ambientali possono trasferire tali miglioramenti alla prole.) Ma laddove quel campo si è tipicamente concentrato sulle modifiche chimiche del DNA, il lavoro di Nadeau espande la nozione di epigenetica per includere effetti genetici che possono essere trasmessi da diversi attori molecolari: acidi ribonucleici (o RNA), che esercitano potenti effetti regolatori sul DNA.

La prova chiave per le opinioni generali di Nadeau sulle modalità di eredità non convenzionali è nata da un progetto di tesi che uno dei suoi studenti ha iniziato intorno al 2001. Nella lunga tradizione di consigli di dottorato sbagliati, tutti hanno detto a Man-Yee Lam che il suo progetto era noioso, derivato e non vale la pena farlo; per cinque o sei anni, nulla nei suoi risultati suggeriva il contrario. L'obiettivo del progetto erano i tumori delle cellule germinali testicolari. Non è diventato chiaro fino a molto tempo dopo che l'esperimento rappresentava la prima rigorosa dimostrazione di un effetto transgenerazionale, mostrando che le variazioni genetiche in un genitore, anche se non erano state trasmesse alla prole, potevano cambiare drasticamente i rischi di malattia in quei figli.

Lam ha deciso di vedere se poteva identificare le interazioni tra diversi geni modificatori, interazioni che avrebbero aumentato la suscettibilità al cancro ai testicoli nei topi. Ha trovato molte di queste interazioni (alcune piuttosto forti), ha completato la sua tesi e si è laureata. Poi, quando il gruppo ha iniziato a scrivere i risultati per la pubblicazione, ha notato qualcosa di molto particolare: gli effetti si erano verificati anche in alcuni animali di controllo allevati dalla stessa popolazione originale. In altre parole, i maschi che erano stati allevati per non ereditare le mutazioni della malattia avevano ancora un aumento statisticamente significativo del rischio di cancro ai testicoli, semplicemente perché i genitori possedevano una particolare variante genetica. I risultati hanno suggerito che potrebbero esserci chiazze di DNA nei genitori che hanno influenzato i tratti dei bambini, anche se i bambini non hanno ereditato questo frammento di DNA genitoriale.

Anche prima della pubblicazione nel 2007, Nadeau ha iniziato a descrivere i risultati, con recensioni decisamente contrastanti. Dice: Se fossero genetisti, c'erano tutti i tipi di [obiezioni] tecniche o 'Non è giusto parlarne in pubblico'. Anche questo è troppo complicato, è troppo Tutto quanto !' Uno ha persino detto: 'Stai cercando di rovinare la genetica?'

COMPLETAMENTE PAZZO
Nadeau non sta cercando di rovinare la genetica, ovviamente, ma l'altro obiettivo principale della sua ricerca, che coinvolge le interazioni gene-gene in topi geneticamente modificati, sfida anche le ipotesi dei moderni mendeliani. Mentre gli studi genomici convenzionali presumono che un certo numero di geni individuali contribuiscano in modo indipendente a malattie complesse, il gruppo di Nadeau ha studiato come i geni possono lavorare di concerto per produrre malattie o, sorprendentemente, sopprimerle. Alcune varianti genetiche neutralizzano altri geni della malattia, così che la suscettibilità di una persona alla malattia può dipendere più dall'effetto combinato di tutti i geni sullo sfondo che dai geni della malattia in primo piano.

Se questo fenomeno è diffuso, ha implicazioni significative per la medicina. Mentre enormi risorse vengono regolarmente dedicate alla ricerca dei geni della malattia, la ricerca sulle interazioni gene-gene, principalmente nei topi ma sempre più negli esseri umani, suggerisce che potrebbe essere almeno altrettanto produttivo identificare varianti genetiche protettive e neutralizzanti che contrastano gli effetti di malattie patologiche. varianti. La comprensione della biologia di queste varianti protettive potrebbe offrire nuove strade alla prevenzione e al trattamento delle malattie. I meccanismi attraverso i quali esercitano i loro effetti potrebbero addirittura costituire la base per nuovi farmaci.

Per condurre i suoi esperimenti, Nadeau e il suo collaboratore, il pioniere della genomica Eric Lander, hanno progettato 22 sottoceppi di un ceppo di topi comunemente studiato chiamato Black 6 sostituendo sistematicamente un cromosoma diverso in ciascun topo con il cromosoma corrispondente di un altro ceppo, noto come A/J. L'idea di tutto questo mescolamento e abbinamento era quella di creare un sistema altamente controllato per studiare le interazioni gene-gene, in parte per determinare quanto un dato gene contribuisce all'ereditarietà di una malattia o di un tratto. Facendo cadere un cromosoma estraneo mantenendo tutto il resto costante, i ricercatori hanno potuto calcolare l'influenza di ogni gene appena introdotto. Quando Nadeau e i suoi colleghi inserirono un cromosoma dopo l'altro sullo sfondo altrimenti stabile e poi misurarono gli effetti genetici, scoprirono che la misura in cui un gene influenzava l'ereditarietà di un dato carattere era drammaticamente più grande di quanto avrebbero previsto studi genomici più convenzionali. . L'implicazione è che la potenza - e, come avrebbe scoperto Nadeau, l'azione - dei geni della malattia deve cambiare con il contesto creato da altri geni su altri cromosomi.

Per illustrare quanto sia complicata questa idea, Nadeau salta fuori dalla sedia e si precipita alla lavagna nel suo ufficio, dove abbozza rapidamente come questi effetti dipendenti dal contesto completamente folli possono agire anche all'interno di un singolo cromosoma. Gli esperimenti si concentrano su una variante genetica che hanno identificato sul cromosoma 6 nei topi A/J che protegge completamente l'animale dall'obesità. Quando rilasciano il cromosoma nei topi Black 6, anche loro sono protetti dall'obesità. Ma non è così semplice. Quando i ricercatori cuciono un po' del DNA del ceppo A/J in un'ampia sezione del cromosoma 6 nei topi Black 6, i topi risultanti sono obesi. Quando eliminano parte del DNA di Black 6 e lo sostituiscono con altro DNA A/J, il gene della resistenza diventa attivo e i topi sono magri. Ma quando aggiungono ancora più DNA A/J a questo cromosoma ibrido, il gene della resistenza si spegne di nuovo. Questa genetica on-off continua anche quando i ricercatori aggiungono o sottraggono porzioni estremamente piccole del cromosoma 6. Infatti, non importa quanto piccola sia la chiazza di DNA, rosicchiarla alternativamente conferisce e cancella la resistenza all'obesità. Il motivo non è noto, ma il messaggio più ampio è che l'effetto di qualsiasi variante sembra dipendere dal suo ambiente genetico. Vediamo quell'effetto tutto il tempo, dice Nadeau. Tutto il tempo! Ovunque, in ogni tratto che osserviamo.

Il gruppo di Nadeau ha anche iniziato a utilizzare questi topi geneticamente modificati per esplorare gli effetti transgenerazionali legati all'obesità. In una ricerca pubblicata diversi mesi fa, David Buchner, un ricercatore della Case Western Reserve, ha dimostrato che uno dei ceppi, che possiede una variante genetica che conferisce resistenza all'obesità, può trasmettere questa resistenza alla prole che non eredita la variante. La presenza del gene della resistenza nella linea di discendenza paterna, sia nel padre che nel nonno, era sufficiente per inibire l'obesità indotta dalla dieta e ridurre l'appetito nei topi che erano altrimenti geneticamente predisposti a ingrassare.

GENI SANI
Gli esseri umani potrebbero anche sperimentare forme di eredità non mendeliana, in particolare la complessa interazione gene-gene che Nadeau continua a trovare nei topi?

Diversi anni fa, Eric Topol ha lanciato un tentativo sistematico di studiare la genetica di persone anziane che godevano di una salute particolarmente buona. I ricercatori hanno cercato soggetti che soddisfacessero una serie di criteri rigorosi: dovevano avere almeno 80 anni, privi di malattie croniche e non assumere farmaci a lungo termine.

Topol inizialmente sospettò una spiegazione mendeliana per la loro fortuna medica: immaginò che fossero riusciti a evitare di ereditare geni varianti, o alleli, noti per essere associati alla malattia. Nadeau la pensava diversamente. Ha predetto, infatti, che le persone nello studio avrebbero posseduto geni mutanti correlati alla malattia come tutti gli altri; ciò che conferiva la loro salute insolita, sospettava, erano le complesse interazioni gene-gene che aveva visto nei topi, dove alcune varianti genetiche sullo sfondo potevano neutralizzare gli effetti delle mutazioni patologiche. La premessa originale - ed Eric ed io abbiamo scommesso su questo - è che quando li sequenziarono, sarebbero privi di geni che causano malattie, ricorda Nadeau. La mia tesi era che hanno lo stesso carico di mutazioni che causano malattie di chiunque altro, ma hanno anche varianti che sopprimono quelle malattie.

Lo studio è ancora in corso e si scopre, come previsto da Nadeau, che centinaia di soggetti del test possiedono tanti geni che causano malattie quanto i membri del gruppo di controllo, che in questo caso consiste di persone morte da più di un decennio fa. Secondo la genetica mendeliana convenzionale, le persone che ospitano questi alleli di rischio dovrebbero essere più suscettibili alle malattie. E in effetti, i test genetici convenzionali indicherebbero un rischio maggiore per malattie che non hanno mai sviluppato. Ma i risultati di Topol indicano che non è possibile valutare l'impatto di una determinata variante della malattia a meno che non si sappia quali altre varianti ci sono sullo sfondo, incluse potenzialmente alcune che modificano i geni della malattia o proteggono da esse. Quindi Nadeau e Topol hanno sostenuto una ricerca sistematica di geni modificatori e alleli protettivi che neutralizzano gli effetti deleteri delle varianti associate alla malattia che tutti gli altri stavano cercando.

Può sembrare una rottura drammatica, ma Nadeau dice che queste eccezioni ai modelli mendeliani non dovrebbero sorprendere. Mendel ha scelto i tratti in cui avrebbe ottenuto la genetica semplice, spiega. Quello che ha detto Mendel è vero. Ma non è tutta la verità.

Stephen S. Hall è uno scrittore con sede a New York i cui libri recenti includono La saggezza: dalla filosofia alle neuroscienze e Le misure contano , che spiega la genetica e la biologia dell'altezza.

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