La musica della vita è una SINFONIA

La scala musicale ha sette note. Soltanto sette. Eppure, con quelle sette note, musicisti di ogni tempo e di ogni paese del mondo hanno creato composizioni meravigliose e diversissime le une dalle altre, ‘semplicemente’ variando la successione e la combinazione dei suoni. Dalle canzoncine per bambini alle maestose sinfonie per grandi orchestre, ciò che conta è la relazione tra le note: quale viene prima e quale dopo, quale è suonata da un trombone e quale da un pianoforte, cioè la partitura.

E gli organismi viventi, come meravigliose sinfonie della vita, funzionano proprio nello stesso modo. I geni, disposti sulla doppia elica del DNA, sono le note (naturalmente ce ne sono molti più di sette), mentre la partitura è quello che gli scienziati chiamano il ‘trascrittoma’, cioè l’RNA, la molecola che deriva dal DNA e di cui costituisce una specie di ‘copia operativa’.
L’RNA, infatti, contiene l’insieme delle indicazioni che, a partire dal DNA, dispongono la trascrizione (da cui la parola trascrittoma) dei geni in proteine (i mattoni fondamentali della vita), dicono quali relazioni ogni proteina deve avere con le altre e – soprattutto – quali geni in ogni dato momento devono essere accesi (cioè, appunto, trascritti) e quali spenti.

UNA SCOPERTA ANCHE ITALIANA

Per la prima volta è stata completata la mappa del trascrittoma di un mammifero complesso (il topo, che dal punto di vista genetico è molto simile all’uomo) a opera del consorzio internazionale FANTOM 3 (Functional ANnoTation Of Mouse, cioè ‘Annotazione Funzionale del Topo’), che ha visto impegnati anche due giovani scienziati dell’Istituto FIRC di oncologia molecolare (IFOM) e dell’Istituto nazionale tumori (INT) di Milano. I risultati dello studio, promosso e coordinato da Piero Carninci, ricercatore italiano dell’Istituto RIKEN di Yokohama e Wako, è comparso sulla prestigiosa rivista Science.

Due le conseguenze cruciali della ricerca sul trascrittoma. Primo, cade definitivamente uno dei dogmi fondamentali della biologia, secondo il quale a un gene corrisponde un RNA e a questo una e una sola proteina capace di svolgere una certa funzione. D’ora in poi si dovrà invece pensare in termini di ‘un gene, molti RNA e a volte anche molte proteine’. Secondo, la ragione della complessità degli organismi superiori sta nell’RNA, e non nel numero di geni: il genoma dei mammiferi è infatti costituito da un numero di geni spesso poco più grande di quello degli organismi inferiori come i vermi, ma è dotato di complicati meccanismi di controllo che regolano i diversi RNA e rendono possibili le funzioni dette, appunto, superiori.

GENI PROTEINA E GENI REGOLATORI

Uomini e topi, dicevamo, sono geneticamente molto simili. Dal Progetto Genoma Umano sappiamo che l’uomo ha circa 22mila geni che vengono trascritti in proteine, che corrispondono però solo al 2 per cento dell’intero genoma. La restante parte del genoma, quella che molto semplicisticamente era stata definita DNA spazzatura, non si sapeva che funzione avesse. Ma ora, grazie al lavoro del FANTOM 3, scopriamo che ben il 62 per cento del DNA viene trascritto e che genera 180mila segmenti definiti di RNA, solo la metà dei quali però serve a produrre proteine. Abbiamo quindi circa 90mila RNA ‘proteina’, il che corrisponde, in media, a quattro proteine per ogni gene (in media, perché gli scienziati hanno verificato che, mentre molti geni effettivamente codificano per una sola proteina, ce ne sono tanti altri a cui corrispondono magari otto e dieci proteine). E il resto del trascrittoma, cioè gli altri 90mila RNA? Il resto ha funzioni di regolazione, coordinando l’attivazione o il silenziamento di parti dello stesso DNA. La cellula è dunque un ambiente molto complesso, dove a un numero tutto sommato ridotto di comandi strutturali (‘costruisci questa proteina in questo modo’, ‘metti questa proteina in questo punto’) si aggiungono tantissimi comandi di regolazione (‘se succede questo costruisci la proteina A, altrimenti costruisci la proteina B’, ‘in queste condizioni costruisci poca proteina C e tanta proteina D, poi prendi la C e falla funzionare da interruttore per la D’, e via di seguito, fino a istruzioni estremamente complicate).

Alla realizzazione del progetto trascrittoma, che giustamente si può definire titanico, hanno collaborato centonovanta scienziati residenti in dieci paesi, per un totale di cinquantuno istituti di ricerca. “Tutto è cominciato nel 2001” racconta Manuela Gariboldi, ricercatrice presso l’IFOM e l’Istituto Nazionale Tumori. “A quel tempo il progetto FANTOM 1 (il primo consorzio FANTOM, ndr) aveva isolato un buon numero di sequenze di RNA da diversi tessuti di topo. Il consorzio aveva bisogno a quel punto di persone con competenze diverse in campo biologico molecolare, in grado di ‘annotare’ gli RNA, cioè in grado di dire a quale gene corrispondeva ogni sequenza di RNA identificata e che funzioni avesse. A me è stato assegnato il compito di annotare degli RNA isolati da tessuto tumorale di topo. In pratica si è trattato di analizzare le sequenze utilizzando degli strumenti software bioinformatici e completare i risultati dell’analisi con tutte le informazioni che provenivano dalla mia esperienza in campo oncologico molecolare.”.

OGNI MATTINA, CAPPUCCINO E RNA

Quella del FANTOM 3 è stata una ricerca ‘distribuita’ e un modello esemplare di integrazione tra collaborazione fisica e virtuale, tra lavoro umano e lavoro computerizzato.

Manuela Gariboldi e James Reid

“L’analisi bioinfomatica che è stata fatta in Giappone” spiega James Reid, come Gariboldi scienziato presso IFOM e INT e coautore dello studio “ha generato automaticamente milioni di RNA con annotazioni ‘putative’, cioè ipotesi di annotazioni, tutte da confermare. Ma nessun laboratorio sarebbe stato in grado di fare tutto il lavoro da solo: la mole dei dati era enorme e le sequenze a quel punto dovevano essere analizzate una per una dagli uomini, non dalle macchine, per risolvere tutti i problemi di ambiguità e per giungere alle annotazioni definitive. Così il RIKEN ha coinvolto ricercatori di tutto il mondo, ha costruito un database accessibile via Web a tutti i membri del consorzio e ha assegnato a ciascuno circa cinquecento sequenze da annotare.” Tutto via Internet, dunque, senza dover intraprendere continuamente viaggi intercontinentali. “Così ognuno poteva gestirsi il lavoro come voleva. Io, per esempio, facevo una o due ore di annotazione tutte le mattine, prima di cominciare il mio lavoro ‘normale’. E c’era il vantaggio della totale trasparenza. Tutti avevamo accesso al lavoro di tutti e avevamo una mailing list dove potevamo discutere insieme le sequenze problematiche”.

Dal grandioso risultato del FANTOM 3 trarrà direttamente vantaggio anche la ricerca sul cancro. Come ha spiegato lo stesso Carninci, le ricerche sull’RNA potranno contribuire a sviluppare nuove cure contro il tumore, che avranno come target proprio gli RNA ‘controllori’. Sarebbero infatti proprio questi RNA controllori i colpevoli dell’insorgenza dei tumori. “Se gli RNA di controllo sono guasti” aggiunge Gariboldi “il DNA non viene trascritto correttamente e può generare proteine sbagliate o attivare funzioni sbagliate, con il risultato finale di indurre lo sviluppo del cancro.”