Genoma umano: come funziona il nostro manuale di istruzioni biologico?

Il genoma umano è il complesso insieme delle informazioni genetiche di un individuo che sono codificate nel DNA.

Il DNA è costituito da unità chimiche che sono le basi nucleotidiche: il genoma umano è composto da circa tre miliardi di queste unità, distribuite su 23 coppie di cromosomi presenti all’interno del nucleo di ogni cellula.

I cromosomi, formati da DNA super avvolto, contengono i geni, che potremmo identificare come le unità funzionali fondamentali del nostro genoma, che determinano le caratteristiche biologiche di un organismo.

Struttura del genoma: qual è?

I geni, che stimiamo siano tra i 20.000 e 25.000, tramite i processi biologici della trascrizione e della traduzione, vengono decodificati in proteine che prendono parte alle varie reazioni biochimiche della cellula.

I cromosomi sono espressione della capacità del DNA di avvolgersi un numero impressionante di volte in modo da poter essere contenuto all’interno di un nucleo cellulare.

I concetti di DNA, geni e cromosomi descrivono caratteristiche fondamentali del nostro genoma che ci aiutano a capirne la complessità. Vediamo di definirli insieme:

• DNA: la sigla “DNA” è l’acronimo del nome “acido desossiribonucleico”.La molecola di DNA è costituita da una doppia elica formata da due filamenti avvolti l’uno attorno all’altro. Ciascuno dei filamenti è formato da una sequenza di nucleotidi che comprendono quattro basi azotate: adenina (A), timina (T), citosina (C) e guanina (G).
• I cromosomi sono il risultato del superavvolgimento del DNA e della sua interazione con altre componenti molecolari formate da proteine.Gli esseri umani possiedono 23 coppie di cromosomi, per un totale di 46. Di queste coppie, una è costituita dai cromosomi sessuali che determinano il sesso (XX per le femmine e XY per i maschi).
• I geni sono delle sequenze di DNA che codificano per delle specifiche proteine. Ogni gene contiene le istruzioni per la sintesi di proteine specifiche che possono svolgere varie funzioni all’interno delle cellule.La codifica di una proteina a partire dal gene avviene grazie all’applicazione del codice genetico, una modalità di leggere e interpretare la sequenza di basi nucleotidiche sul DNA che viene tradotta in sequenza proteica.
• Oltre ai geni, nel nostro genoma esistono anche regioni di DNA che non codificano per nessuna proteina, ma che possono svolgere ruoli strutturali.

Come funziona il genoma umano?

Capire come funziona al 100% il nostro genoma è un argomento estremamente complesso sulla cui ricerca vengono investite ogni giorno molte risorse.

Volendo semplificare possiamo individuare alcuni processi che permettono di avere un’idea di quali siano i principi del funzionamento di base del nostro genoma.

• Regolazione genica: La funzione e l’espressione dei geni sono regolati da vari meccanismi. Il DNA è uguale in tutte le cellule, ma una proteina viene prodotta solo nelle cellule in cui è utile e solo quando serve, per cui il suo gene deve essere trascritto solo al bisogno. I fattori di trascrizione, i microRNA (miRNA), gli enhancer e i silencer sono solo alcuni degli elementi che modulano quando, dove e in che quantità i geni vengono espressi.

• Trascrizione: Il processo inizia con la trascrizione, in cui un gene del DNA viene copiato in RNA messaggero (mRNA) da un enzima chiamato RNA polimerasi. Questo avviene nel nucleo della cellula. La sequenza nucleotidica dei geni per poter essere codificata in proteina deve essere prima “letta” e utilizzata per sintetizzare una sequenza di RNA che verrà poi usata in seguito come stampo per la sintesi della proteina.L’RNA contenente l’informazione per la produzione della proteina, sintetizzato a partire dalla sequenza del gene è chiamato mRNA (o RNA messaggero) e il passaggio che ne permette la sintesi è definito “trascrizione”.
• L’mRNA appena trascritto subisce modifiche, come l’aggiunta di una coda di adenine e una modifica della sua estremità. Le sequenze non codificanti introniche vengono rimosse e gli esoni vengono uniti.
• Traduzione: la traduzione è il processo che vede l’uso della sequenza dell’mRNA per la sintesi della sequenza proteica. L’mRNA maturo viene trasportato fuori dal nucleo nel citoplasma, dove si lega ai ribosomi. Durante la traduzione, l’mRNA viene letto e utilizzato come modello per la sintesi proteica.

Cosa si intende per sequenziamento del DNA?

Tra i vari sviluppi che hanno permesso di ottenere i dati utili a scoprire a fondo le caratteristiche del nostro genoma ci sono sicuramente le tecnologie di sequenziamento che possiamo considerare tra le innovazioni più impattanti del sapere umano.

Il sequenziamento del DNA è un processo in cui si mescolano la chimica, la biologia e l’ingegneria, tramite i quali si stabilisce l’ordine dei nucleotidi che compongono una molecola di DNA.

Questa tecnica permette di identificare l’esatta sequenza delle basi azotate (A, T, C, G) lungo un filamento di DNA.
Il sequenziamento è fondamentale per molti ambiti dalla ricerca fino alle applicazioni più concrete in vari campi dalla medicina, all’agraria alle scienze forensi.

Sequenziamento del DNA: un po’ di storia

I primi tentativi di sequenziamento risalgono ali anni 70’ La prima sequenza di DNA pubblicata, lunga 24 basi, è del 1973. Tra i pionieri del sequenziamento vi sono Allan Maxam e Walter Gilbert, nonché Frederick Sanger, che è stato il primo a sviluppare una metodologia di sequenziamento funzionante. Questa tecnologia è stata poi il punto di partenza per lo sviluppo di tecniche più rapide e precise evolvendosi in metodiche di sequenziamento molto più complesse.

Il Progetto Genoma Umano

Uno dei progetti di ricerca più ambiziosi inerenti allo studio dei genomi tramite sequenziamento è il Progetto Genoma Umano.
Questo studio, iniziato nel 1990 e completato nel 2003, ha rappresentato una delle pietre miliari nella moderna biologia. Questo progetto di respiro internazionale ha permesso di ottenere la sequenza di circa il 99% del genoma umano, contribuendo a sua volta allo sviluppo di nuove tecnologie di sequenziamento e alla nostra comprensione del genoma umano.

Quali implicazioni porta una conoscenza approfondita del genoma umano?

• Medicina: La comprensione del genoma umano ha rivoluzionato e potrà continuare a rivoluzionare la medicina, permettendo lo sviluppo di terapie geniche e la personalizzazione dei trattamenti medici basati sul profilo genetico individuale
• Biotecnologie: Il sequenziamento del genoma umano ha avuto un impatto significativo sullo sviluppo delle biotecnologie, migliorando le tecniche di manipolazione genetica che possono essere usate ad esempio per produrre farmaci, migliorare le colture e creare organismi geneticamente modificati.
• Evoluzione: l’analisi del genoma umano fornisce approfondimenti sull’evoluzione e la storia umana, tracciando migrazioni e variazioni genetiche delle popolazioni nel corso del tempo.