Nell’anno 1953, James Watson e Francis Crick sconvolsero il mondo scientifico con l’ipotesi della struttura a doppia elica del DNA. Dopo che dieci anni prima il DNA era stato identificato come la sostanza che compone i geni, quindi il veicolo della trasmissione ereditaria dei caratteri fenotipici, alcuni gruppi di ricerca si erano concentrati sulle proprietà chimico-fisiche della molecola del DNA.
Per tutti gli anni ’50 e ’60 fu un susseguirsi di grandi scoperte, dalla decifrazione del codice genetico alla definizione dei processi dell’espressione genica. L’approccio molecolare culminò nei primi anni ’70 con la nascita dell’ingegneria genetica: si potevano costruire DNA ricombinanti unendo sequenze di specie diverse. Questi successi e, non ultima, l’antica pulsione al controllo umano sul mondo naturale diedero straordinario impulso alla genetica molecolare.
Fino ai primi anni del Duemila, la Genetica fu dominata dal Dogma Centrale proposto da Crick: il flusso dell’informazione genetica procede in un’unica direzione, dal DNA all’RNA alle proteine (= fenotipo), e mai nella direzione opposta. Secondo il paradigma gene-centrico, il DNA funziona in modo autonomo, isolato dalle influenze esterne. Le sequenze geniche determinano rigidamente, attraverso le sequenze peptidiche corrispondenti, i caratteri fenotipici di ogni organismo.
Il Dogma Centrale, e il ‘dogma collaterale’ che postulava la corrispondenza univoca tra una data sequenza nucleotidica e la catena peptidica da essa codificata, hanno dominato la Genetica fino al 2000. Quell’anno, i primi risultati del Progetto Genoma Umano diedero lo scossone definitivo alla certezza della corrispondenza univoca tra gene e catena polipeptidica.
Le avvisaglie del crollo si erano già avute verso la metà degli anni ’80 con la scoperta dello splicing alternativo, che rivelava un’insospettata flessibilità dell’espressione genica. Di qui prese le mosse nel 2003 il Progetto ENCODE, tuttora in corso. ENCODE si propone di scandagliare quel 98,5 % del DNA fatto di sequenze non codificanti proteine, al fine d’individuare nel DNA tutti gli elementi funzionali. Finora, oltre l’80% della molecola ha rivelato una funzione regolativa, e la ricerca prosegue.
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Dopo il 2000 si sono accumulate prove innumerevoli del fatto che “anche l’ambiente influenza i livelli di espressione genica”. Il termine epigenetica fu introdotto negli anni ’40 dall’embriologo e genetista inglese Conrad Waddington. Alla genetica gene-centrica rimase tuttavia aperto l’enorme problema di spiegare come le divisioni mitotiche di un’unica cellula-uovo fecondata, lo zigote, possano dare origine a centinaia di tipi cellulari differenti per forma e funzione, pur essendo dotati dello stesso DNA.
Tutti i 252 tipi cellulari del corpo umano derivano da un’unica cellula, lo zigote, cioè l’uovo fecondato, quindi i trilioni di cellule che ci compongono hanno tutte lo stesso DNA. Eppure da cellule staminali totipotenti e con uguale DNA derivano tutti i differenti tipi cellulari. Come? Grazie alla differente regolazione del funzionamento del DNA in ciascun tipo di cellula. Ovvero, grazie a influenze EPIGENETICHE.
Con l’Epigenetica l’attenzione si sposta dalla sequenza nucleotidica del DNA alla cromatina e ai processi biochimici che la modellano (metilazione di citosine, acetilazione degli istoni, microRNA) detti “mutazioni epigenetiche”. Grazie alle mutazioni epigenetiche, i geni funzionano in certi momenti, o in certe cellule, e in altri/e no.
Emerge uno scenario caratterizzato dall’incessante dinamismo di un complesso ‘sistema epi/genetico’, costituito dal DNA, da molte specie di RNA e da proteine. Questi elementi generano una fitta rete interattiva, che media tra influenze ambientali e risposte adattative dell’organismo. Nelle cellule il DNA è avvolto attorno a “rocchetti” di proteine dette istoni, formando fitte spire di cromatina (= DNA + proteine), Perché il DNA funzioni, le spire si rilassano nelle regioni che devono essere attive. Le regioni di cromatina addensata restano silenti.
La regolazione di questo continuo rimodellamento della cromatina è epigenetica, e dipende da segnali che arrivano dall’ambiente intra ed extra cellulare. Le mutazioni epigenetiche possiedono una proprietà unica: sono al tempo stesso reversibili ed ereditabili. Durante lo sviluppo ontogenetico e il normale ricambio tissutale, cellule con lo stesso DNA si differenziano in base ad effetti di posizione, processi interattivi e stimoli ambientali, che danno origine al quadro epigenetico specifico per il funzionamento di ogni tipo cellulare: solo i geni necessari vengono espressi, gli altri sono ‘silenziati’.
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Ad ogni mitosi, gli specifici quadri epigenetici sono trasmessi alle cellule figlie. Dunque il sistema epi/genetico regola il normale funzionamento di un organismo. Per converso, quadri epigenetici alterati si associano a gravi patologie.
Ad esempio, numerosi studi hanno trovato che i fattori ‘interni’ come la predisposizione genetica e l’invecchiamento sono importanti nella genesi di diabete e obesità, quanto lo sono le alterazioni dei quadri di metilazione indotte da fattori ‘esterni’ collegati agli stili di vita, come l’esercizio fisico e la dieta. Nuove prospettive sulla genesi di molte patologie emergono incrociando studi epigenetici e dati epidemiologici.
Negli ultimi decenni si sta infatti verificando un vertiginoso aumento di condizioni come le malattie immuno-allergiche, infiammatorie, metaboliche, cronico-degenerative, neurodegenerative, neoplastiche e del neurosviluppo. La velocità e l’estensione globale del fenomeno portano a escludere un’origine solamente genetica e a individuare negli inquinanti ambientali fattori eziologici importanti, tramite gli effetti di alterazioni epigenetiche.
Per esempio, numerosi studi hanno trovato in molti geni e tessuti alterazioni della metilazione in seguito all’esposizione a pesticidi. Inoltre, l’esposizione a pesticidi già nell’utero materno provoca mutazioni epigenetiche che possono alterare il neurosviluppo durante i primi 1000 giorni di vita, con gravi conseguenze che possono svilupparsi dopo la nascita, anche nella vita adulta (p.e., disturbi dello spettro autistico).
Dalle ricerche epigenetiche emerge dunque una nuova visione del DNA, ma oggi anch’essa si rivela parziale.
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Nel nuovo scenario, il DNA non detiene TUTTA l’informazione necessaria allo sviluppo e alla vita di un organismo; invece, nuova informazione SI GENERA di continuo nell’interazione del DNA con gli altri elementi del sistema epi/genetico e con tutti i fattori ambientali. Il paradigma DNA-centrico rivela la sua persistenza anche nell’attuale concetto di “miglioramento genetico” fondato sulla modificazione della sequenza nucleotidica del DNA, concetto che ancora pervade tanta scienza accademica.
Ma proprio le recenti scoperte ci aprono un’occasione storica. C’è infatti il rischio che questa - di fatto - transizione culturale venga limitata agli aspetti applicativi. Cioè, corriamo il rischio di non vedere che le nuove conoscenze ci inducono a un radicale mutamento nel nostro modo di sentire e di costruire il mondo.
La vita sul pianeta evolve in un perenne divenire creativo. Momento per momento, dal caotico intrico di miriadi di esseri - dal micto- al macrocosmo - interagenti fra loro e con l’ambiente emerge un equilibrio, peraltro mai fisso. Questo equilibrio è frutto unicamente delle leggi di relazione che molti milioni di anni d’evoluzione e selezione naturale hanno sedimentato nei viventi a tutti i livelli, dal molecolare all’ecologico.
Alla luce delle attuali conoscenze di biologia molecolare, la relazione gene-enzima ha subito alcune modifiche. Innanzitutto oggi sappiamo che i geni sono sequenze di nucleotidi in una molecola di DNA. In secondo luogo, non tutte le proteine che influiscono sul fenotipo sono enzimi.
In questo caso ogni catena polipeptidica è specificata da un gene distinto; perciò, anziché dire «un gene, un enzima» è più giusto usare l’espressione «un gene, un polipeptide». Il gene non costruisce direttamente il polipeptide, ma fornisce le informazioni che la cellula «traduce» producendo la catena polipeptidica corrispondente. Per questo si dice che il gene «si esprime» producendo un singolo polipeptide.
La nascita della biologia molecolare nella seconda metà del Novecento è stato l'evento più rilevante nell'ambito delle scienze della vita, cambiandone radicalmente lo status alla fine del secolo. Ci sono diversi segni distintivi inequivocabili che individuano una disciplina: l'esistenza di cattedre nelle università, di riviste, di società scientifiche, ecc.
Sul piano scientifico e concettuale, essa è stata la scoperta dei meccanismi fondamentali che operano in tutte le cellule e ne controllano la riproduzione: la caratterizzazione chimica dei geni e la decifrazione del codice genetico, ossia della relazione esistente tra i geni e gli agenti cellulari attivi, le proteine.
I genetisti avevano evidenziato il ruolo centrale dei geni, non solo nella riproduzione ma anche come centro organizzativo per tutte le attività cellulari. Di conseguenza, caratterizzare la relazione tra i geni e le proteine era ovviamente divenuto uno degli obiettivi della ricerca.
La biologia molecolare ha rappresentato anche un importante avanzamento epistemologico nelle scienze della vita, localizzando la spiegazione dei fenomeni biologici nelle proprietà delle macromolecole presenti negli organismi. All'inizio, la maggior parte dei biologi molecolari, molti dei quali avevano una formazione da fisici, cercava spiegazioni semplici per i fenomeni biologici più elementari, convinta che queste fossero vicine.
I risultati riduzionistici della biologia molecolare e l'importante ruolo avuto da molti fisici nel suo sviluppo non sono gli unici segnali della sua dipendenza dalla fisica. Come vedremo, le nuove tecnologie sviluppate dai fisici furono essenziali per la caratterizzazione delle macromolecole; i concetti informazionali derivati dalla teoria dell'informazione permearono la biologia molecolare.
Inoltre, uno dei fisici più influenti, Erwin Schrödinger (1887-1961), che aveva contribuito alla rivoluzione quantistica, nel 1944 scrisse un libro intitolato What is life? che attirò l'attenzione di molti fisici verso la biologia. Il contributo di What is life? allo sviluppo della biologia molecolare è stato oggetto di numerose discussioni tra gli storici della scienza, che implicavano domande importanti: il ruolo dei fisici nella trasformazione della biologia e il posto che i precursori possono avere nei successivi sviluppi scientifici.
Tuttavia, la biologia molecolare non era la fisica applicata alla biologia: quella era la biofisica, una disciplina tenuta in grande considerazione alla fine degli anni Quaranta, ma che progressivamente perse importanza. Inoltre, alcuni degli attori principali nello sviluppo della biologia molecolare non erano riduzionisti, nel senso che ritenevano possibile l'esistenza di leggi specifiche per il mondo vivente.
Tuttavia, la biologia molecolare rappresentò anche il trasferimento di alcuni principî epistemologici della fisica allo studio degli organismi, tra i quali l'ipotesi secondo cui le maggiori possibilità di ottenere una conoscenza fondamentale si hanno progettando il modello sperimentale più semplice possibile. Soprattutto, la biologia molecolare si identificava in una piccola comunità di ricercatori che condividevano oggetti epistemici come il batteriofago ed erano molto coscienti del loro ruolo attivo nell'aggiornamento della biologia. La biologia molecolare era ciò che facevano i biologi molecolari.
La nascita della biologia molecolare ha costituito una rivoluzione scientifica: il suo sviluppo può essere visto come l'alba di un nuovo paradigma. Gli storici della scienza hanno proposto due ricostruzioni differenti dell'ascesa della biologia molecolare, producendo un'abbondante mole di letteratura.
Nella prima, le radici della biologia molecolare vengono cercate nello sviluppo di nuove tecnologie fisiche adatte allo studio di strutture troppo complesse per i chimici organici, ma al di là delle possibilità dei microscopi ottici usati dai citologi: la nascita della biologia molecolare era la caratterizzazione del mondo dei colloidi, progressivamente convertito, per mezzo degli sforzi dei biochimici, in un mondo di macromolecole.
Altri storici sostengono che tale definizione, nella sua ampiezza, comprenda anche la biochimica e la biofisica, e dunque non rispetti la specificità della biologia molecolare. Essi preferiscono usare l'espressione 'biologia molecolare' per designare la scoperta dei meccanismi fondamentali che operano negli organismi, la caratterizzazione della struttura chimica del gene e dei meccanismi mediante i quali i geni controllano la sintesi proteica: queste scoperte coprono non più di venticinque anni (1940-1965).
Adottare tali limiti temporali per lo sviluppo della biologia molecolare distingue chiaramente la rivoluzione della biologia molecolare dalla nuova sintesi evoluzionista degli anni Trenta e Quaranta del Novecento. Useremo questa seconda definizione, e grazie a questa limitata prospettiva è possibile descriverne lo sviluppo come una rapida successione di scoperte.
Inoltre, gli storici della biologia non sono concordi neppure sull'esatto contenuto di una storia della biologia molecolare. Tuttavia, ci sono buone ragioni per escludere questo campo di ricerca: la forma prevalente di riduzionismo era un riduzionismo fisicalista, la diretta riduzione degli eventi della fotosintesi alle leggi della fisica ‒ fisica applicata alla biologia come nella biofisica.
Infine, non va dimenticato che non c'è stata 'una' storia, ma molte differenti storie della biologia molecolare, secondo i paesi e le istituzioni. Due diverse linee di ricerca sono confluite tra il 1940 e il 1953 verso la scoperta della natura chimica del materiale genetico.
La prima era parte dello sforzo sistematico dei chimici organici e fisiologici per caratterizzare i diversi composti presenti negli organismi. La caratterizzazione chimica degli acidi nucleici è stato un processo lungo e difficile, risolto solo alla fine degli anni Quaranta del XX secolo.
Le due diverse forme di acidi nucleici, DNA e RNA, erano state descritte anche in precedenza, ma le prime osservazioni avevano erroneamente suggerito che non fossero presenti negli stessi organismi, in quanto l'RNA sembrava limitato al lievito e alle piante. La localizzazione del DNA nel nucleo fu progressivamente dimostrata mediante l'uso di colorazioni specifiche per questa molecola.
La seconda linea di ricerca era legata allo sviluppo di una scienza dell'eredità alla fine dell'Ottocento e alla sua rapida espansione nei primi decenni del XX sec. in seguito alla riscoperta delle leggi di Mendel. L'importanza del nucleo per la vita e la riproduzione cellulare era stata dimostrata dai citologi molto prima del 1910, anno in cui Thomas H. Morgan (1866-1945) fornì prove convincenti della disposizione lineare dei geni lungo i cromosomi.
Negli anni Trenta, i dettagliati studi citochimici avviati dallo svedese Torbjörn Caspersson (1910-1997) dimostrarono che i cromosomi erano formati dagli acidi nucleici. In netto contrasto con la tradizione di ricerca chimica, i meccanismi dell'azione del gene erano per i genetisti molto più importanti della natura chimica del gene stesso.
L'azione 'catalitica' dei geni suggeriva una similitudine con gli enzimi, la cui natura proteica era stata progressivamente dimostrata nei primi decenni del XX secolo. Le ipotesi prevalenti tra il 1916 e gli anni Cinquanta sono state battezzate da alcuni storici come 'il paradigma proteico' del gene.
Le difficoltà di caratterizzare in maniera precisa la costituzione macromolecolare dei cromosomi, combinata con l'idea dominante che i geni fossero simili agli enzimi, ebbe delle implicazioni: la questione della natura chimica dei geni non fu affrontata direttamente fino agli esperimenti compiuti da Oswald T. Avery, Colin M. MacLeod e Maclyn McCarty nel 1944.
Avery e i suoi collaboratori dimostrarono in maniera del tutto convincente che il fattore trasformante dello pneumococco ‒ che poteva essere estratto da batteri morti e, una volta aggiunto a una colonia, era in grado di conferire alla capsula polisaccaridica nuove caratteristiche ereditabili ‒ era il DNA. Essi utilizzarono le più avanzate tecniche disponibili, sviluppate al Rockefeller Institute di New York, che includevano l'analisi della composizione chimica, lo spettro di assorbimento dei raggi ultravioletti e l'uso di enzimi per la degradazione specifica di DNA, RNA e proteine.
L'articolo da loro pubblicato, risultato di un paziente lavoro durato dieci anni, conteneva una descrizione precisa del protocollo necessario per l'isolamento del DNA in forma nativa mediante estrazione con fenolo e precipitazione con etanolo, che sarà usato dai ricercatori nei quattro decenni successivi. Venivano descritte in maniera dettagliata le condizioni necessarie per la trasformazione batterica (pneumococcica), fenomeno considerato difficilmente riproducibile.
Molto è stato già scritto sull'impatto limitato di questa scoperta: l'età e la posizione di Avery quando pubblicò l'articolo (stava per lasciare il Rockefeller Institute per la pensione); le peculiari caratteristiche del fenomeno della trasformazione dello pneumococco e la difficoltà di riprodurlo ed estenderlo; l'ancora incerta conoscenza dell'esatta struttura del DNA. Tutto ciò contribuì a limitare la diffusione dei dati di Avery e dei suoi collaboratori fra la comunità scientifica.
In questi studi, lo pneumococco non era considerato un modello, come invece nell'articolo del 1944, per studiare fenomeni biologici generali come la natura del materiale genetico. Per questo, i ricercatori che conoscevano Avery furono disorientati dall'articolo del 1944, il cui obiettivo era molto diverso da quelli dei suoi studi precedenti.
Inoltre, i genetisti non si aspettavano che le risposte sulla natura del materiale genetico potessero scaturire da un batterio, nel quale non era ancora stata dimostrata l'esistenza dei geni. Per quanto le scoperte di Avery non ebbero un impatto immediato, non furono del tutto ininfluenti.
Il suo lavoro motivò molti biologi a considerare gli acidi nucleici non solamente come strutture di sostentamento passive o depositi di energia, assegnando loro un ruolo più attivo. Il francese André Boivin (1895-1945) iniziò gli studi per misurare in modo preciso la quantità di DNA presente nei diversi tipi di cellule. I chimici approntarono nuove tecniche per una caratterizzazione più accurata della composizione chimica del DNA. In particolare, Erwin Chargaff (1905-2002) riuscì a dimostrare nel 1950 che l'ipotesi del tetranucleotide, proposta dal chimico Phoebus A.
Tabella Riassuntiva: Paradigmi nella Genetica
| Paradigma | Caratteristiche Principali | Periodo di Dominio |
|---|---|---|
| Paradigma DNA-centrico | Il DNA determina rigidamente i caratteri fenotipici, flusso unidirezionale dell'informazione genetica. | Fino al 2000 |
| Paradigma Epigenetico | L'espressione genica è regolata da mutazioni epigenetiche influenzate dall'ambiente. | Dal 2000 in poi |