DUPLICAZIONE, TRASCRIZIONE E TRADUZIONE, IL LINGUAGGIO DEI NOSTRI GENI

Una delle scoperte fondamentali della storia della biologia è consistita nel fatto che esiste un unico linguaggio universale per tutte le specie note.
Tutti noi organismi viventi di questo pianeta , dai batteri microscopici alle sequoie giganti , dagli insetti agli esseri umani, custodiamo cioè l’informazione genetica utilizzando il linguaggio del DNA, il quale si traduce in proteine seguendo alcune regole universali di lettura.
Come si traduce ciò che è codificato nel DNA? Il DNA è scritto in quattro lettere – A, T, G e C -, le proteine sono scritte in venti lettere : gli aminoacidi. La chiave che consente di passare dal linguaggio del DNA a quello delle proteine è il cosiddetto codice genetico. Grazie a questo linguaggio universale oggi possiamo sequenziare i genomi di tutti gli organismi, compresi i virus. Possiamo anche usare proteine batteriche per replicare ed amplificare il DNA di qualsiasi specie.
Qualsiasi forma di vita origina ed è supportata dai medesimi processi fondamentali, eventi cioè che si susseguono dalla molecola del DNA fino ad arrivare alle proteine . Il primo processo è 1. la duplicazione del DNA, processo svolto da diverse proteine, e tramite cui sono prodotte nuove catene di DNA identiche a quella iniziale grazie alla complementarità delle loro basi. Con il secondo processo il DNA viene trascritto nell’mRNA – acido ribonucleico messaggero – grazie ancora all’azione di diverse proteine e alla complementarità tra le basi. Tale processo è noto come 2. la trascrizione del DNA. Infine vengono sintetizzate proteine a partire da quell’mRNA mediante un terzo processo detto 3. della traduzione. Questa catena di eventi è nota come il dogma centrale della biologia. Metaforicamente il DNA potrebbe essere paragonato ad un registro centrale burocratizzato che emette copie certificate – mRNA – in modo che altri utenti possano consultarle senza dovere utilizzare gli originali. Una volta fuori dal nucleo , nel citoplasma, l’mRNA viene tradotto seguendo una serie di regole dettate dal codice genetico. I meccanismi responsabili della traduzione che renderà possibile l’espressione dei geni operano in strutture chiamate ribosomi ove i dati dell’ mRNA vengono letti e tradotti nella sequenza aminoacidica che costituirà una specifica proteina con una determinata funzione. Tecnicamente durante la traduzione le lettere del DNA sono lette in terzine chiamate triplette o codoni. Ogni tripletta fa riferimento a un aminoacido- ad esempio la tripletta AGT codifica per l’aminoacido serina – . L’insieme di tutte le triplette codificanti in un gene specifica una serie di aminoacidi che, legati in maniera sequenziale, formano la proteina completa. Oggi conosciamo esattamente l’aminoacido specificato da ciascuna delle triplette , per cui, interpretando ciò che è scritto nei geni, possiamo conoscere la proteina risultante. Fortunatamente il codice genetico dispone sequenze di lettere che indicano quando inizia e quando finisce la costruzione di una proteina. I segmenti di DNA che contengono le informazioni per sintetizzare una proteina sono cioè affiancati da specifici codoni di inizio e altri di terminazione della traduzione.
Grazie al Progetto Genoma Umano è stata completata in circa dieci anni (avviato nel 1990 , pubblicata una prima bozza nel 2001 e completato ufficialmente con la pubblicazione della prima sequenza completa del corredo cromosomico di un essere umano nel 2004) la nostra mappa genetica. È proprio studiando il genoma si è scoperto che solo il due (2) per cento del materiale genetico contenuto nel nostro genoma corrisponde a regioni codificanti. C’è cioè tutto un DNA che non svolge un ruolo nello sviluppo, nella fisiologia o in altre espressioni a livello cellulare o di organismo. Tali risultati sconcertanti ottenuti con lo studio ed in occasione del Progetto Genoma Umano ha portato alla individuazione di tutto quel DNA che non genera una proteina , anche se ciò non vuole dire che sia privo di una funzione biologica. È il cosiddetto “DNA spazzatura“ denominato così negli anni settanta dal genetista Susumu Ohno il quale si riferiva non tanto a ciò cui ci riferiamo noi oggi ovvero il 98 per cento di DNA non codificante (di certo non “spazzatura”), ma ad errori nella duplicazione genetica che, per distinguerli da ciò che funzionava alla precisione, furono chiamati da Ohno “spazzatura”.
Il DNA erroneamente definito “spazzatura” è predominante nel nostro materiale genetico ed ha reso necessario lo sviluppo di nuove tecniche , l’introduzione di nuovi approcci e di nuovi studi, l’analisi di dati per dargli e trovargli, scoprire il suo senso biologico. È stato fondamentale analizzare tutta la “spazzatura” genetica , il modo in cui è disposta nel nucleo e interagisce con altre regioni , per capirne la funzione ed il motivo della sua stessa esistenza.
Dopo il Progetto Genoma Umano, il progetto ENCODE – Encyclopedia of DNA Elements – nel 2003 ha avuto lo scopo di studiare le sequenze di DNA che non fanno parte dei geni. Si è scoperto così che oltre l’80 per cento (valore che è stato successivamente ritenuto sovrastimato) del DNA spazzatura ha funzioni bio chimiche, svolgerebbe cioè un ruolo essenziale nei processi cellulari e quindi nella biologia di noi organismi. Così si è scoperto che la presenza di DNA non codificante collocato in posizione strategica promuove l’attivazione e la lettura dei geni regolando l’attività delle proteine che svolgono tale funzione. Vi sono diversi tipi di sequenze regolatrici della lettura del DNA, le quali si attivano e si svolgono grazie ai cosiddetti promotori ed enhancer – super enhancer per attivare l’espressione dei geni a livelli molto alti, ad esempio nella regolazione delle cellule staminali embrionali – i quali si ripetono praticamente in tutti i geni degli organismi (fattori di trascrizione ed attivatori sono le proteine cui si fissano). Perché tutto ciò accada il DNA assume una conformazione tridimensionale, cioè si ripiega su se stesso fino a che le regioni non arrivano a sovrapporsi . Anche questo ripiegamento avviene grazie all’azione di specifiche proteine associate al DNA. Le funzioni del DNA non codificante non si limitano alla trascrizione dei geni. Questo DNA è coinvolto anche nella disposizione cellulare del materiale ereditario. Esistono quindi diversi meccanismi di regolazione che dettano come, dove e quando i geni devono essere espressi per fare funzionare l’organismo. Oggi si studiano integrandoli tutti i dati che provengono da sequenze non codificanti. Si stanno sviluppando tecniche innovative per riuscire a illuminare le parti oscure del nostro DNA, una delle cui tecniche più all’avanguardia è il sequenziamento massivo parallelo – Next Generation Sequencing NGS-. Oggi esso è impiegato nelle diagnosi di malattie associate a varianti genetiche in regioni non codificanti , come la distrofia muscolare miotonica, tra le tante. Esiste cioè la tecnologia necessaria per assemblare e modificare “il film del nucleo” di ogni tipo cellulare , in ogni momento e condizione. Conosciamo il modello della disposizione del DNA spazzatura quando si regolano le regioni codificanti, e ciò ci dà capacità predittiva applicabile in medicina. Le tecniche di visualizzazione tridimensionale ci consentono di vedere oggi le regioni sconosciute del nostro DNA. Cose letteralmente inconcepibili fino a pochi anni fa.

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