Sapere Scienza

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Navigare il genoma in 3D

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Il sequenziamento del genoma umano ha rappresentato una pietra miliare che ci ha messo a disposizione tutta l’informazione che esso contiene. Ma se pensiamo che le nostre cellule, grandi pochi micrometri, impacchettano al loro interno un DNA che, se completamente srotolato, sarebbe lungo 2 metri, ci rendiamo facilmente conto che la comprensione dell’organizzazione spaziale del genoma deve rappresentare un aspetto altrettanto importante. Studi molecolari e strutturali ci hanno insegnato molto su come le molecole di DNA si organizzano, avvolgono e compattano. Uno studio recentissimo di un'équipe di ricerca di Houston (Texas) guidata da Erez Lieberman Aiden ci ha ora fornito le prime mappe 3D ad alta risoluzione del nostro genoma.

 

Architettura genomica ad alta risoluzione

Attraverso una tecnica definita Hi-C (la più avanzata tra le metodologie di Chromosome Conformation Capture) i ricercatori sono riusciti a fissare i cromosomi nelle posizioni che occupano nel nucleo di diverse linee cellulari umane e di una di topo, oltre che a sequenziare i punti di contatto. Gli scienziati stati così in grado di evidenziare la vicinanza tra sequenze che possono trovarsi anche molto distanti all'interno del genoma. Questa nuova tecnica ha permesso di identificare con altissima risoluzione strutture ipotizzate già da tempo, ma che erano state mostrate con una risoluzione molto minore: i loop. La struttura a loop permette a due elementi molto distanti su un cromosoma di trovarsi, se organizzati in una di queste anse, spazialmente vicini. Le mappe hanno mostrato che il numero di loop è minore di quello previsto (così come era accaduto con il numero dei geni), che questi sono organizzati in sei sub-compartimenti con caratteristiche funzionali simili al loro interno e che l’organizzazione è mantenuta nelle diverse linee cellulari e in parte anche tra uomo e topo.

 

Nuove basi strutturali della regolazione genica

Perché la scoperta che questa organizzazione, non casuale ma conservata, in anse, ha così tanto valore? Per averne un’idea, pensiamo che gli interruttori che possono accendere o spegnere un determinato gene vengono normalmente cercati nelle regioni immediatamente vicine. Attraverso queste nuove mappe potremo scoprire che l’inizio di un gene non è solo in contatto con le sequenze a esso adiacenti, ma anche a regioni di DNA linearmente molto lontane, che possono modularne l’attivazione: scopriremo quindi nuovi elementi di controllo a distanza e interruttori nascosti per l’accensione o spegnimento dei nostri geni. Le mappe 3D, alle quali si può accedere per navigarle interattivamente con il sistema Juicebox creato da Aiden e i suoi collaboratori, possono assumere un significato molto importante anche in campo biomedico. Vicino a quale gene si viene a trovare una regione di DNA in cui sono state identificate mutazioni caratteristiche di una determinata patologia e per la quale non si ipotizzava fino a ora un ruolo? Quali sequenze regolative nuove possiamo analizzare per i geni il cui malfunzionamento è legato all'insorgenza di malattie?

 

Origami genomici

Gli autori del lavoro hanno proposto un parallelo tra la tecnica degli origami (che permette di costruire qualsiasi figura a partire da uno stesso foglio di carta) e la relazione che c’è tra la sequenza del DNA, che è la stessa in tutte le cellule del nostro corpo, e la sua organizzazione 3D che può influenzare in maniera determinante i pattern di espressione genica (e quindi le caratteristiche funzionali di un particolare tipo cellulare). Se volete saperne di più in maniera piacevole, vi consiglio il video a base di origami che hanno creato per spiegare l’importanza dei loro risultati.

Giulia Guarguaglini

Nata nel 1972 a Roma, dove ha studiato presso l’Università La Sapienza conseguendo la Laurea in Scienze Biologiche e il Dottorato in Genetica e Biologia Molecolare. Dopo alcuni anni in Germania, tra Heidelberg e Monaco di Baviera, è tornata a Roma, dove lavora come ricercatrice presso il CNR.

copertina   luglio-agosto 2019

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