FABIO DEL PIERO

Ho avuto il privilegio di vivere un periodo caratterizzato da molte scoperte scientifiche che hanno progressivamente accompagnato i miei studi e la mia carriera. In particolare, da veterinario specialista in patologia comparata con enfasi su autopsie, malattie infettive e diagnostica oncologica, durante gli ultimi decenni ho potuto beneficiare delle nuove tecniche apparse negli ultimi 50 anni e vederle applicate alle nostre quotidiane attività di diagnostica e ricerca. Ogni giorno, nella nostra professione, cerchiamo di diagnosticare e contenere le malattie che influiscono sulla vita dei nostri animali, piante e esseri umani, tenendo sempre anche un occhio di riguardo alle tematiche ambientali. Prima dell’invenzione della reazione a catena della polimerasi (Polymerase Chain Reaction – PCR) ci siamo principalmente affidati alla osservazione macroscopica di segni clinici, lesioni, microscopia, sierologia, coltivazione e isolamento di numerosi microrganismi e microscopia elettronica. Queste sono tutte tecniche estremamente importanti, le più importanti e formidabili che usiamo ancora quotidianamente e che continueremo sempre ad usare. Ma le scoperte genetiche hanno fornito ulteriori strumenti estremamente utili alla diagnostica ed alla ricerca e hanno sicuramente contribuito al miglioramento della nostra vita quotidiana.

La parola genetica deriva dal greco antico – genetikos che significa “genitivo” – generativo”, che a sua volta deriva da – genesis che significa “origine”. La genetica è una branca della biologia che si occupa dello studio dei geni, della variazione genetica e dell’ereditarietà negli organismi. Sebbene l’ereditarietà fosse stata osservata da millenni, è stato Mendel, scienziato e frate agostiniano, a studiare scientificamente nel XIX secolo la genetica esplorando “l’eredità dei tratti” e il modo in cui questi tratti vengono tramandati dai genitori alla prole. Mendel osservò che alcune piante di pisello ereditano i tratti per mezzo di “unità discrete di eredità”. Questo termine è utilizzato ancora oggi, nonostante sia una definizione comunque ambigua di ciò che viene definito gene. L’ereditarietà dei tratti e i meccanismi di ereditarietà molecolare dei geni sono ancora i cardini della genetica nel XXI secolo, ma la genetica moderna si è espansa e spinta oltre l’ereditarietà per studiare la funzione e il comportamento dei geni. La struttura e la funzione del gene, la variazione e la distribuzione geniche sono studiate nel contesto della cellula, dell’organismo e nel contesto di una certa popolazione. La genetica ha “generato” una serie di sottocampi, come la genetica molecolare, l’epigenetica e la genetica delle popolazioni e lo studio della genetica è stato applicato ai tre grandi gruppi di organismi viventi, gli archea, i batteri e gli eucarioti.

I processi genetici agiscono insieme alle influenze ambientali e le esperienze che subisce un organismo influenzando lo sviluppo e il comportamento (nature versus nurture). L’ambiente intracellulare o extracellulare di una singola cellula o di un organismo vivente più complesso può attivare o disattivare la trascrizione genica. Un classico esempio sono due semi di mais geneticamente identici, uno posto in un clima temperato e uno in un clima arido. Mentre l’altezza media dei due steli di mais può essere geneticamente determinata come uguale, quella nel clima arido cresce solo fino alla metà dell’altezza di quella nel clima temperato a causa della mancanza di acqua e sostanze nutritive ambientali. Riguardo alla trascrizione genica ricordiamo che una piccola percentuale, l’1%-2%, del DNA eucariotico è funzionalmente attivo, ossia viene trascritto in RNA messaggero  (mRNA), quindi tradotto in proteine che agiscono singolarmente o dopo la formazione di complessi per sostenere molteplici funzioni della cellula.

L’acido desossiribonucleico (DNA), è la base molecolare che garantisce l’eredità biologica. Ogni filamento di DNA è una catena di nucleotidi che si accoppiano tra loro al centro per formare quelli che sembrano i pioli di una scala contorta.

I cromosomi sono composti sia da proteine sia da DNA e, nonostante la presenza di geni sui cromosomi fosse nota da tempo, gli scienziati non sapevano quale di questi due, proteine o cromosomi, fosse responsabile dell’ereditarietà. La conoscenza dei meccanismi molecolari dell’ereditarietà ha permesso un’esplosione della ricerca in questo settore.  La  teoria dell’evoluzione molecolare neutrale postula il ruolo di influenze casuali su mutanti selettivamente neutrali. Questa teoria, non accettata da tutti gli scienziati, è ora al centro di dibattiti tra mutazionisti, selezionisti e neutralisti. I risultati della ricerca hanno sottolineato l’importanza della selezione naturale e dell’ambiente e la velocità con cui sembra manifestarsi l’evoluzione genetica.  L’ invenzione della PCR ha permesso a scienziati e diagnosti, partendo da quantità minime di DNA, di produrre (amplificare)  miliardi di copie di questo acido nucleico da studiare nei minimi dettagli. Ne è seguito il sequenziamento del genoma che consiste nello scoprire la sequenza organizzata dei nucleotidi del DNA, (adenina, citosina, guanina e timina) in un determinato organismo permettendo la dettagliata identificazione genomica di forme di vita prima semplici ed in seguito molto complesse come insetti, micromammiferi (come il topo) e infine gli esseri umani che possiedono 3 miliardi di queste lettere genetiche. Le funzioni di molti geni rimangono ancora sconosciute e non è chiaro come i geni e le rispettive proteine che essi codificano interagiscano reciprocamente e con l’ambiente.

Durante il processo di replicazione del DNA, occasionalmente si verificano errori nella polimerizzazione del secondo filamento. Questi errori, chiamati mutazioni, possono influenzare l’aspetto (fenotipo) di un organismo, specialmente se queste mutazioni si verificano all’interno della sequenza codificante della proteina di un gene. I tassi di errore sono generalmente molto bassi, un errore ogni 10–100 milioni di basi, a causa della capacità di “correzione bozze” degli enzimi DNA polimerasi. I processi che aumentano il tasso di cambiamento nel DNA sono chiamati mutageni. Per esempio le sostanze chimiche mutagene promuovono errori nella replicazione del DNA, spesso interferendo con la struttura di accoppiamento delle basi, mentre la radiazione ultravioletta induce mutazioni causando danni alla struttura del DNA. Il danno chimico al DNA si puo’ anche verificare naturalmente e abbiamo visto che le cellule utilizzano meccanismi di rammendo del DNA per riparare i disallineamenti e le rotture. La riparazione, tuttavia, non sempre ripristina la sequenza originale. Una fonte particolarmente importante di danni al DNA sono le specie reattive dell’ossigeno prodotte dalla respirazione aerobica cellulare. Negli organismi che utilizzano il crossover (trasferimento) cromosomico per scambiare DNA e geni ricombinanti, anche gli errori di allineamento durante la meiosi possono causare mutazioni. Gli errori nel crossover sono particolarmente probabili quando sequenze simili fanno sì che le coppie cromosomiche adottino un allineamento errato e questo rende alcune regioni dei genomi più inclini a mutare in questo modo. Questi errori creano significativi cambiamenti strutturali nella sequenza del DNA che includono duplicazioni, inversioni, cancellazioni di intere regioni o scambio accidentale di intere parti di sequenze tra diversi cromosomi (un processo che si chiama traslocazione cromosomica), che sembra si verifichino, per quanto riguarda la nostra specie, almeno ogni seicento nascite.

Più impariamo a conoscere il genoma animale e umano, più ci rendiamo conto di quanto ci sia ancora da esplorare. Il genoma umano contiene 3,2 miliardi di coppie di basi nucleotidiche chimiche (A, C, T e G). Il gene medio è composto da 3000 paia di basi, ma le sue dimensioni variano notevolmente. Il più grande gene umano conosciuto, quello che codifica la proteina distrofina (muscolare, cardiaca e cerebrale), possiede 2,4 milioni di paia di basi. Le funzioni sono ancora significativamente sconosciute per molti geni che sono stati scoperti. La sequenza del genoma umano è quasi esattamente la stessa (99,9%) in tutte le persone. Circa il 2% del genoma codifica istruzioni per la sintesi delle proteine. Le sequenze ripetute che non codificano per le proteine ​​costituiscono almeno il 50% del genoma umano. Si ritiene che le sequenze ripetute non abbiano funzioni dirette, ma fanno luce sulla struttura e sulle dinamiche dei cromosomi. Nel tempo, queste ripetizioni rimodellano il genoma riorganizzandolo, creando così geni completamente nuovi o modificando e rimescolando i geni esistenti. Il genoma umano ha una porzione molto maggiore (50%) di sequenze ripetute rispetto a certi vegetali, per esempio la senape (11%), determinati vermi (7%) e la mosca (3%). Oltre il 40% delle proteine ​​umane presenta una significativa somiglianza con le proteine ​​della mosca della frutta o di alcuni vermi. Questi studi ci hanno rivelato che Homo sapiens sapiens, noi, e Pan troglodytes, lo scimpanzè, un primate come noi, intelligente quasi quanto noi e fisicamente piu’ forte di noi, hanno in comune il 99% del genoma e a livello proteico circa il 30% dei loro geni codifica le stesse proteine. I geni sembrano essere concentrati in aree casuali lungo il genoma, con vaste distese di DNA non codificante nel mezzo. Il cromosoma 1, il più grande cromosoma umano, ha il maggior numero di geni (3.168) e il cromosoma Y ha il minor numero di geni (344). Particolari sequenze geniche sono state associate a numerose malattie e disturbi, tra cui cancro alla ghiandola mammaria, alcune malattie muscolari, sordità e cecità. Gli scienziati hanno identificato milioni di posizioni dove si verificano differenze di DNA su base singola. Queste informazioni promettono di continuare a rivoluzionare la ricerca di sequenze di DNA associate a comuni malattie come quelle cardiovascolari, i tumori, il diabete, e l’ artrite. Leggere variazioni nelle nostre sequenze di DNA possono avere un impatto importante sullo sviluppo o meno di una malattia e sulle nostre risposte a fattori ambientali come microbi, tossine e farmaci. Uno dei tipi più comuni di variazione di sequenza è il polimorfismo a singolo nucleotide (SNP). Gli SNP sono siti in un genoma in cui gli individui differiscono nella sequenza del DNA, spesso per una singola base. Il genoma umano sembra avere almeno 10 milioni di SNP mappabili. Queste mappe permetteranno di identificare tutte le regioni del DNA associate a malattie complesse comuni come cancro, malattie cardiache, diabete, artrite e alcune forme di malattia mentale e potrebbero anche essere utilizzate per capire come la variazione genetica possa influenzare le risposte ai fattori ambientali.

Grandi quantità di dati genomici e tecnologie ad alto rendimento stanno ora consentendo studi su una scala molto più ampia di quanto sia mai successo nel passato anche molto recente. Gli esempi includono il monitoraggio e il confronto simultanei dell’attività di decine di migliaia di geni nei tessuti cancerosi e in quelli normali non affetti da tumori. Sono necessari strumenti computazionali avanzati ed esperti con competenze interdisciplinari per acquisire, archiviare, integrare, rappresentare, distribuire e analizzare i dati. La bioinformatica è questa nuova disciplina che unisce biologia, informatica e tecnologia dell’informazione per gestire e analizzare i dati, con l’obiettivo di comprendere i sistemi viventi. Questa disciplina è prevedibile che si amplierà a dismisura grazie all’enorme flusso di dati provenienti da studi su larga scala a livello molecolare, cellulare e sugli organismi complessi, noi compresi.

Le grandi scoperte nel campo della genetica hanno positivamente influenzato varie branche scientifiche e diagnostico-investigative come la medicina molecolare, la genomica microbica, la bioarcheologia, l’antropologia, l’identificazione del DNA, l’agricoltura e la medicina veterinaria:

la medicina molecolare con diagnosi di miglioramento della malattia, individuazione di predisposizioni genetiche alla malattia, creazione di farmaci sulla base di informazioni molecolari, utilizzo di terapia genica e sistemi di controllo per i farmaci, e la progettazione di farmaci “personalizzati” sulla base dei profili genetici individuali;

la genomica microbica con il rilevamento e la terapia rapida nei confronti di microrganismi patogeni nella pratica clinica, lo sviluppo di nuove fonti energetiche come i biocarburanti, il monitoraggio di ambienti per rilevare sostenze inquinanti, la protezione delle persone da guerre biologiche e chimiche, la rimozione dei rifiuti tossici in modo sicuro ed efficiente, la valutazione del rischio sulla salute del personale, la valutazione preventiva dei  i rischi per la salute del personale esposto a radiazioni, sostanze chimiche e tossine cancerogene;

la bioarcheologia, l’ antropologia e lo studio dell’evoluzione e delle migrazioni umane, in particolare attraverso lo studio delle mutazioni germinali nei lignaggi osservando le migrazioni dei vari gruppi di popolazione sulla base dell’eredità genetica materna, studiando le mutazioni sul cromosoma Y per tracciare il lignaggio e la migrazione dei maschi, e confrontando i punti di rottura nell’evoluzione delle mutazioni relative all’ età della popolazione e agli eventi storici.

l’ identificazione del DNA con la scoperta di potenziali sospetti il ​​cui DNA è presente sulla scena di un crimine, permettendo di scagionare le persone ingiustamente accusate di un crimine, stabilendo paternità e altre relazioni familiari, identificando le specie in via di estinzione e protette aiutando i funzionari della fauna selvatica e perseguendo i bracconieri o scoprendo le frodi nei mercati del pesce e delle carni, per esempio le classiche sostituzioni al ristorante di pesci come la salpa per la spigola, lo squalo per il tonno, lo squalo per il pesce spada e l’identificazione del “musciame” che è la carne di delfino proibita e l’ autenticazione di materiali di consumo come caviale e vino; ma anche il rilevamento di batteri e altri organismi che potrebbero inquinare aria, acqua, suolo e cibo, l’ abbinamento dei donatori di organi con i destinatari nei programmi di trapianto, la determinazione del pedigree delle razze degli animali da compagnia e del bestiame;

in agricoltura creando colture resistenti a malattie, insetti e siccità e con maggior capacita’ nutritive, tramite l’ottimizzazione delle colture per la produzione di bioenergia, sviluppando biopesticidi, incorporarando nuovi vaccini commestibili nei prodotti alimentari e scoprendo nuovi usi per certe piante nel campo della pulizia ambientale, come per esempio il tabacco;

in medicina veterinaria costruendo animali transgenici, che sono creati aggiungendo un’informazione genetica estranea a quella originale al nucleo delle cellule embrionali, allo scopo di inibire delle informazioni contenute in certi geni. Questo si può ottenere o iniettando un DNA estraneo direttamente nell’embrione o usando un vettore retrovirale per inserire il transgene nel DNA di un certo organismo. I topi, per loro sfortuna, grazie alle loro dimensioni, maneggiabilità, capacità riproduttive e relativi bassi costi sono gli animali transgenici per eccellenza usati nella ricerca scientifica. Applicazioni ad animali diversi e più voluminosi portano alla creazione di di animali da reddito più sani, produttivi e resistenti.

Per millenni il cane e’ stato il miglior amico dell’uomo. Prima ancora che addomesticassimo il cavallo o inventassimo l’agricoltura i cani erano efficenti collaboratori al nostro fianco e nonostante tutti questi anni di incredibili avventure che abbiamo condiviso con loro, questi animali eccezionali rimangono ancora un mistero. Non sappiamo molto di come il lupo, con il suo meraviglioso aspetto e comportamento uniforme sia diventato un cane le cui razze hanno poi assunto forme, dimensioni, colori, abilità e personalità così diverse. In 30mila anni il lupo è potuto diventare, per esempio, un “pet bambino” come il carlino che si presta ad indossare costumi di Halloween e natalizi con notevole disinvoltura.  

Visto che siamo quasi tutti coinvolti direttamente o indirettamente anche nella salute animale, ecco alcune delle più comuni malattie genetiche nei nostri piccoli animali domestici. Nel cane possiamo osservare cancro, atrofia retinica progressiva, epilessia ereditaria, displasia dell’anca, ipotiroidismo, malformazioni cardiache, atopia e dermatopatie allergiche, lussazione rotulea, dipslasia del gomito, dilatazione gastrica e torsione, coagulopatia di von Willebrand, ipersensibilità a certi farmaci e ivermectina. Nel gatto, invece, possiamo osservare reni policistici, cardiomiopatia ipertrofica, malformazioni craniofacciali letali, amiloidosi renale, spasticità neuromuscolare, glicogenolisi, polidattilia. sordità associata alle iridi blu, pigmentazioni anomale e sindrome Klinefelter XYY o chimere nei gatti calico e tartaruga.

Nel corso degli anni la moda ha profondamente influenzato le razze canine e se esaminiamo i ritratti raffiguranti certi cani 200 anni fa possiamo vederne i risultati, per esempio uno sviluppo scheletrico e respiratorio anomalo nelle razze brachiocefaliche come il bulldog. Queste sono tutte problematiche che potrebbero essere risolte da un’armonica fusione tra conoscenze veterinarie e studi genetici. Infatti, la caratteristica delle malattie genetiche è che sono prevedibili. Questo ci permette di controllare la diffusione di geni difettivi attraverso un allevamento adeguato e controllato. Non solo, ma ci permette di intervenire prima della espressione dei geni difettivi a scopo preventivo o lenitivo e nell’intervento nei confronti delle malattie genetiche dobbiamo comprendere le possibili variazioni negli animali affetti, ma anche indentificare i portatori non clinicamente evidenti o subclinici.

La clonazione, una tecnica che coinvolge sia il campo veterinario sia quello della medicina della scimmia nuda, ossia l’essere umano, è il processo che permette la produzione di individui accomunati da un DNA identico o molto simile, sia tramite un processo naturale sia artificiale. In natura, molti organismi producono dei cloni tramite una riproduzione asessuata. La clonazione in biotecnologia indica il processo di produzione di cloni di un organismo, come pure copie di cellule o copie di frammenti di DNA. La clonazione potrebbe permetterci di resuscitare importanti specie estinte vittime della nostra natura, delle necessità venatorie e degli eccessi gastronomici e, se applicata a noi stessi, di sognare una condizione di immortalita’.

Bioarcheologia, antropologia, evoluzione e studi sulla migrazione umana stanno diventando sempre piu’ interessanti e coinvolgenti e alla portata di tutti. I test genetici applicabili a queste discipline erano già disponibili al pubblico circa 20 anni fa e sono diventati, nel frattempo, assai sofisticati. Hanno soddisfatto la nostra curiosità di sapere chi siamo e da dove vieniamo. Prima sapevamo chi eravamo dalle storie dei nostri nonni e da alcuni polverosi documenti a volte reperibili negli archivi municipali e parrocchiali. Ora, dalle cellule contenute in poche gocce di saliva possiamo scoprire il nostro passato. Per esempio, ho potuto apprendere che le storie raccontate e tramandate nella mia famiglia erano tutte vere. I nomi dei miei antenati sono italiani, sloveni, austro-tedeschi, ungheresi e greci e l’analisi genetica indica origini italiane, austriache, tedesche, francesi, slovene, ungheresi, russe, spagnole e greche con uno 0,5% di origini asiatiche. Ebbene, sembra che la longevità dei confini geopolitici dell’impero austro-ungarico, abbia plasmato anche il mio genoma e forse molti di noi hanno una piccola percentuale di Gengis Huangdi Kahn come sembra essere rivelato da quella piccola percentuale di DNA asiatico; non una vera sorpresa considerando quanto quel gran condottiero fosse “impegnato” a tramandare il suo DNA. Significa anche che i nostri nomi sono una insufficiente pallida facciata di ciò che siamo in realtà I nostri nomi, nel mio caso Fabio, antico nome romano per indicare una famiglia divenuta molto importante e potente facendo affari con le fave (faba fabae) e Del Piero, che indica “della pietra” O’Peter, cognome endemico di un piccolo villaggio sul Fiume Tagliamento in Friuli Venezia Giulia, non rivelano pienamente le miei origini profondamente radicate nelle zone degli imperi centrali, e possono fuorviare chi siamo culturalmente e geneticamente. Ormai con una cifra che generalmente alcuni di noi spendono settimanalmente durante gli happy hour, possiamo sapere chi siamo e conscere quali razze compongano un cane meticcio che ci siamo portati in casa in un momento di debolezza o verificare la “purezza” di un cane di razza che vorremmo acquistare. Con qualche euro/dollaro in più possiamo anche richiedere di esaminare il nostro DNA, sempre da quello sputo, per vedere se possediamo delle mutazioni geniche patologiche che potrebbero influenzare negativamente la nostra vita e quella dei nostri discendenti. Possiamo inoltre scegliere di permettere alle compagnie, che ci hanno fornito con questo servizio di interpretazione genica, di continuare la ricerca sul nostro campione e continuare a mandarci i risultati tramite posta elettronica.

La progressiva grande disponibilita’ di analisi genetiche e la realtiva facilita’ di manipolazioni geniche hanno progressivamente sollevato numerose questioni etiche. Eccone alcune. Esistono incertezze associate ai test genetici per la loro suscettibilità che riguardano malattie particolarmente complesse come per esempio malattie cardiache, diabete e morbo di Alzheimer. Queste analisi dovrebbero essere eseguite anche quando non è disponibile alcun trattamento o quando l’interpretazione non è sicura? I bambini dovrebbero essere esaminati per la loro possibile suscettibilità a malattie che si manifestano durante l’età adulta? Questi risultati potrebbero condizionare negativamente la loro vita futura e essere utilizzati dalle assicurazioni sanitarie a loro vantaggio e a svantaggio dei pazienti. Esistono numerosi implicazioni concettuali e filosofiche riguardanti la responsabilità umana, il libero arbitrio, il determinismo genetico, che derivano direttamente dalla nostra potenziale conoscenza dello stato di salute di un individuo. I nostri geni influenzano il nostro comportamento e per questo dovremmo adoperarci a controllarlo attraverso tecniche di manipolazione genetica? Qual è il confine tra cure mediche e miglioramento significativo della salute? Gli alimenti geneticamente modificati sono sicuri per l’uomo e l’ambiente? In che modo queste tecnologie influenzeranno la dipendenza delle nazioni in via di sviluppo dalle nazioni industrializzate e potenti? Quali saranno le problematiche nella commercializzazione di prodotti, inclusi diritti di proprietà come brevetti, diritti d’autore e segreti commerciali, e l’accessibilità a dati e materiali? I brevetti delle sequenze di DNA limiteranno la loro accessibilità e lo sviluppo di relativi prodotti utili al singolo ed alla comunità?

I rapidi progressi nella scienza del genoma e uno sguardo alle sue potenziali applicazioni sembrano indicare che la biologia sarà la scienza più importante del XXI secolo. La tecnologia e le risorse generate dal progetto sul genoma umano e da altre ricerche genomiche stanno già avendo un impatto enorme: nel 2020 le biotecnologie hanno impiegato circa 290000 persone e i ricavi sono nel giro di circa 100 miliardi di dollari. Si prevede che i ricavi futuri raggiungeranno i trilioni di dollari. Stiamo vivendo anni eccezionalmente interessanti e formidabili, grazie al progresso scientifico nel campo delle comunicazioni e della genetica. È ormai possibile clonare un mammifero tramite un processo che costa intorno ai 50mila dollari e, sebbene pochi abbiano il coraggio di ammetterlo, nella clonazione e nelle terapie geniche potrebbero trovare realizzazione alcuni sogni dell’eugenetica come l’estrema longevità e quasi immortalità dell’individuo.

Attraverso la biologia comprendiamo che la bellezza giace non nel nostro aspetto esteriore, bensì nel nostro DNA nella forma di geni “sani” e portatori di caratteri che ci permettono di avere un sostanziale successo biologico ed evolutivo su questo pianeta. Lo aveva già  compreso a suo modo 2700 anni fa il poeta greco Archiloco che scrisse “non mi piace un generale gigantesco, gambe larghe, tutto fiero dei suoi ricci, glabro a forza di rasoi. Io lo voglio piccoletto; gli si notino le gambe  storte, ma si regga in piedi saldamente, tutto cuore.“

• Nella foto un capretto neonato affetto da ipoplasia cranica e idranencefalia, caratterizzata da assenza del cranio apicale e degli emisferi cerebrali che sono sostituiti dall’ accumulo di liquido cefalorachidiano contenuto in un flaccido sacco meningeo. Le malformazioni dei nascituri possono essere di origine genetica, chimica o infettiva.

BIOTECNOLOGIE Endoxa ENDOXA - BIMESTRALE ENDOXA NOVEMBRE 2020 FABIO DEL PIERO GENOMA