Genomica Funzionale e Genomica Comparativa

La genomica rientra nelle “scienze omiche” e si occupa dello studio del genoma, per fare ciò si avvale dell’utilizzo della bioinformatica e di tecniche di biologia molecolare. Lo studio della genomica è finalizzato soprattutto al sequenziamento del genoma e al clonaggio dei geni, questo permette di osservare alterazioni geniche e di studiarle in modelli più semplici. Le tecniche di studio utilizzate nella genomica sono molteplici e spesso vanno integrate tra loro per avere un miglior risultato.

Sequenziamento del Genoma

Il sequenziamento del genoma è una metodica utilizzata in laboratorio per determinare la sequenza nucleotidica di una molecola di DNA. Il metodo è stato sviluppato da Frederick Sanger nel 1975 e gli valse il Premio Nobel per la chimica nel 1980, da qui nasce il termine Metodo Sanger.

Gel di sequenziamento del DNA

Questa tecnica si basa sull’utilizzo di nucleotidi modificati (dideossinucleotidi o ddNTPs) prodotti artificialmente e marcati radioattivamente o per fluorescenza. Questi a causa della loro struttura mancante del gruppo ossidrilico al 3′, impediscono che un altro nucleotide si leghi nella reazione di polimerizzazione impedendo la formazione del legame fosfodiesterico, la struttura alla base della molecola del DNA.

Lì dove i ddNTPs sono stati incorporati la reazione di polimerizzazione si interrompe prima del raggiungimento della fine della sequenza di DNA stampo; a questo punto avremo una serie di frammenti di DNA di lunghezza diversa interrotti in corrispondenza del ddNTPs incorporati e proprio questa interruzione, grazie all’aiuto di una elettroforesi, rivelerà quale base si trova in quello specifico punto.

Spesso vengono usate anche tecniche di Next-Generation Sequencing (NGS) che prevedono l’utilizzo di strumenti di ultima generazione che rendono possibile il sequenziamento di un intero genoma in un tempo altamente ristretto rispetto al classico metodo Sanger.

Il NGS è un metodo che funziona “per estensione” (a differenza del metodo Sanger che utilizza delle interruzioni), questo significa che, quando tramite la reazione di polimerizzazione viene aggiunto un nuovo nucleotide al filamento di DNA nascente, quest’ultimo emette un segnale di fluorescenza specifico per ogni nucleotide che viene subito rilevato dal macchinario.

Tuttavia ci sono delle limitazioni di tipo pratico nel loro utilizzo, i macchinari che permettono questo tipo di sequenziamento hanno bisogno di processori molto potenti che non tutti i laboratori possono permettersi e di personale altamente qualificato per il loro utilizzo. Pertanto pur essendo una metodica sicuramente più avanzata non è altrettanto diffusa.

Genomica Funzionale

La genomica funzionale, come suggerisce anche il nome, si occupa di studiare la funzione e le interazioni di geni con i prodotti proteici che ne derivano.

La metodica più utilizzata è sicuramente quella del Microarray di DNA che prevede:

  •  l’utilizzo di sonde di DNA (probe) attaccate su di una superfice solida (spesso di vetro) che rappresenta l’array (matrice);
  •  le sequenze di interesse ottenute grazie alla conversione   degli mRNA in cDNA da parte dell’enzima trascrittasi inversa.
Microarray di DNA

I cDNA a questo punto vengono posti sopra la matrice e, grazie alle leggi della complementarietà delle basi azotate del DNA, andranno ad ibridarsi con le probe.

Ad ibridazione avvenuta e dopo aver ripulito la matrice dell’eccesso, sarà possibile, per mezzo di autoradiografia, visualizzare il segnale emesso dalla sonda ibridata. Lì dove ci sarà stata ibridazione tra la sequenza di interesse e la probe, si avrà un segnale luminoso la cui intensità determinerà la presenza più o meno marcata di ibridazione.

Il Microarray di DNA è una tecnica che ha sviluppato nel tempo ampi utilizzi sia nel campo della ricerca di base che nella diagnostica medica. In quest’ultimo campo è utilizzata per malattie genetiche dove, l’espressione genica delle cellule malate viene messa a confronto con quella di cellule sane al fine di localizzare l’alterazione del gene mutato.

Genomica Comparativa

La genomica comparativa permette di mettere a confronto le somiglianze e le differenze che intercorrono nel genoma di diversi organismi e di capire al livello molecolare cosa distingue una specie da un’altra.

In specie evolutivamente molto vicine confrontare i loro genomi rende possibile la comprensione di quali siano i geni conservati; geni che possiedono l’informazione per prodotti proteici spesso essenziali per il corretto funzionamento cellulare e che nel corso dell’evoluzione si sono dovuti conservare, e geni nuovi unici per ogni specie e che permettono di apprezzare le differenze che caratterizzano la biodiversità. In ambito clinico ad esempio ciò è sfruttato sulla base della presenza in molti patogeni di geni di virulenza conservati. Conoscendo quali sono questi geni facilita nello sviluppare terapie che agiscono su un più ampio spettro.

Organismi Modello

Capire quali siano i geni conservati tra le specie è utile soprattutto in ambito di ricerca. Infatti condurre studi su organismi modello permette di applicare le conoscenze acquisite traslandole  virtualmente all’uomo.

Un organismo modello viene scelto in base a molte caratteristiche, tra cui:

  • genoma sequenziato (o se non lo è già, facilmente sequenziabile),
  • facile mantenimento in condizioni di laboratorio (dimensioni dell’organismo e cure che questo necessita per vivere),
  • ciclo vitale semplice e breve così da avere risultati sia in “giovinezza” che in “vecchiaia”,
  • veloce proliferazione così da poter studiare l’effetto di una mutazione sulla prole e di mantenerla nel tempo per più generazioni.

Gli organismi modello sono molteplici e si estendono in tutti i domini dei viventi ed alcuni dei più utilizzati sono:

  • Fago lambda per lo studio dei metodi di infezione di base dei virus,
  • Escherichia coli per la genetica batterica e biologia molecolare,
  • Saccharomyces cerevisiae (lievito di birra), primo eucariote il cui genoma è stato sequenziato, per il ciclo cellulare e lo studio sugli organelli,
  • Arabidopsis thaliana, primo organismo vegetale con genoma sequenziato, per la fisiologia vegetale e la biologia molecolare vegetale,
  • Zea mais che ha permesso la scoperta e la comprensione dei trasposoni,
  • Caenorhabditis elegans (nematode) per la biologia dello sviluppo,
  • Drosophila melanogaster (moscerino della frutta) per la genetica di base e la biologia dello sviluppo,
  • Mus musculus (topo) nella ricerca biomedica.

Le conoscenze acquisite dallo studio di organismi modello ci permettono di fare previsioni ed applicarle all’uomo in quanto molti complessi molecolari che intervengono nella regolazione del ciclo cellulare, nel metabolismo, nella replicazione e trascrizione del DNA etc… sono altamente conservati in tutti gli organismi.

Conclusioni

Grazie allo studio della genomica funzionale e le sue tecniche di sequenziamento siamo riusciti a decifrare il codice genetico e a comprenderne la sua mappatura.

Il sequenziamento del DNA ha poi permesso la nascita della genomica comparativa che, servendosi di organismi modello, ha permesso di acquisire nuove conoscenze facendo più luce sui complessi meccanismi regolatori alla base del genoma umano.

Fonti

  • The sequence of sequencers: The history of sequencing DNA – Science Direct
  • Sequencing technologies and genome sequencing – Journal of Applied Genetics
  • An Introduction to Functional Genomics and Systems Biology – National Center for Biotechnology Information
  • Comparison of whole genome sequences provides a highly detailed view of how organisms are related to each other at the genetic level. How are genomes compared and what can these findings tell us about how the overall structure of genes and genomes have evolved? – Articolo su Nature
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