Storia dei Geni 1980 ad oggi

Nel 1981 gli americani Richard Palmiter e Ralph Brinster inventarono un metodo, la microiniezione, per modificare geneticamente gli animali: le cellule uovo fecondate dell'animale vengono messe su una piastrina. Sotto al microscopio, con l'aiuto di un ago di vetro molto fine, si pratica un piccolo foro nella cellula uovo e vi si iniettano molte copie del gene estraneo. Gli ovuli vengono poi trasferiti nell'utero della madre, che porta a compimento la gravidanza. Il gene estraneo si insedia stabilmente nel DNA del 10-20% degli ovuli. I piccoli hanno il gene estraneo in tutte le loro cellule del corpo e quindi anche in quelle sessuali. Così trasmettono le caratteristiche acquisite anche alle prossime generazioni. Con questo metodo Palmiter e Brinster trasferirono nei topi il gene di ratto per l'ormone della crescita. I topi geneticamente modificati (transgenici) crebbero molto rapidamente e raggiunsero dimensioni pari al doppio dei topi normali.

Nel 1982 l'agenzia americana responsabile dell'autorizzazione dei farmaci (FDA) consentì la vendita del primo farmaco geneticamente modificato. Si trattava di insulina umana. L'insulina è un ormone prodotto in determinate cellule del pancreas di ogni persona sana. Questo ormone evita che il sangue contenga troppo zucchero. Alcune persone producono troppa poca insulina e hanno quindi troppo zucchero nel sangue. La loro malattia è chiamata diabete. Le persone gravemente malate di diabete devono iniettarsi ogni giorno l'insulina per vivere sane. Prima l'insulina veniva estratta dal pancreas di bovini o suini. Dagli anni ottanta viene invece principalmente prodotta tramite l'ingegneria genetica. L'impresa biotecnologica americana "Genentech" è stata la prima a produrla trasferendo il gene dell'insulina umana sul batterio Escherichia coli.

Kary B. Mullis (USA) sviluppò un metodo attraverso il quale uno specifico frammento di DNA può essere trovato in mezzo a un filamento genetico formato da centinaia di migliaia di componenti e amplificato in milioni di copie. Scopri il funzionamento della reazione a catena della polimerasi (PCR) nella sezione "metodi" del capitolo "l'ingegneria genetica".

Nel 1983 l'americana Mary-Dell Chilton e i due belgi Jeff Schell e Marc van Montagu riuscirono a modificare geneticamente una pianta di tabacco. Per il trasferimento del gene utilizzarono il batterio Agrobacterium tumefaciens. Questo batterio possiede un anello di geni (plasmide) di cui inserisce un determinato frammento di DNA (T-DNA) nelle cellule ferite delle piante con cui entra in contatto. Gli ingegneri genetici sfruttarono questa proprietà: tagliarono una parte del T-DNA dal plasmide e aggiunsero il gene estraneo. A contatto con le cellule del tabacco, il batterio vi introdusse il gene estraneo. Dalle cellule del tabacco così modificate si svilupparono intere piante che contenevano il nuovo gene in tutte le cellule e producevano la relativa proteina. Come nel caso del topo transgenico (vedi 1981), il gene è stato poi trasmesso ai discendenti.

Nel 1984 l'americano Alec Jeffreys scoprì il "fingerprint genetico". Questo metodo viene utilizzato per esempio nella criminologia: quando sul luogo di un delitto si scoprono tracce di sangue, capelli, pelle, saliva o sperma (nel caso di uno stupro), se ne può ottenere il DNA e produrre un "fingerprint genetico". Se questa impronta genetica corrisponde a quella della persona sospetta, si riesce spesso a far luce sul delitto. Il "fingerprint genetico" serve anche ad accertare paternità contestate.

Sulla superficie degli agenti patogeni sono presenti delle proteine contro le quali il sistema immunitario della persona infetta produce degli anticorpi. Con l'aiuto dell'ingegneria genetica è possibile trasferire i relativi geni su batteri o cellule superiori, di modo da indurli a produrre le proteine di superficie. Queste proteine possono essere poi impiegate come vaccini. Il sistema immunitario della persona vaccinata produce anticorpi contro queste parti innocue dell'agente patogeno. Se la persona vaccinata viene poi infetta dall'agente patogeno, il suo sistema immunitario è già pronto a combattere la malattia. Il primo vaccino biotecnologico che è stato autorizzato alla vendita protegge dai virus dell'epatite B e quindi dall'itterizia, che in casi gravi può provocare cirrosi epatica e tumore al fegato.

Prima di poter condurre un esperimento in pieno campo con piante transgeniche occorrono anni di analisi approfondite in laboratorio e in serra. Se una pianta supera tutti questi test, si può procedere con l'esperimento in pieno campo, dapprima in piccole parcelle e poi su terreni più vasti. Solo qui si può dimostrare se la proprietà inserita nella pianta, come per esempio resistenza ai funghi, sopporta le complesse condizioni della natura. Nel 1986 sono iniziati negli Usa i primi esperimenti in pieno campo con piante transgeniche resistenti a insetti, batteri e virus. Nel frattempo sono stati condotti in tutto il mondo oltre 25'000 esperimenti in pieno campo con piante transgeniche.

Nel settembre del 1990 un gruppo di medici americani sotto la direzione di French Anderson condusse il primo esperimento di terapia genetica su una bambina di quattro anni, Ashanti DaSilva, che era affetta da una grave malattia ereditaria a carico del sistema immunitario (SCID). Questa malattia è dovuta a un gene difettoso. I medici prelevarono del sangue alla bambina e introdussero una versione sana del gene nei globuli bianchi. Poi, tramite infusione, reinserirono le cellule geneticamente modificate nel sangue di Ashanti. Le condizioni della bambina migliorarono, ma nessuno poteva capire se il merito fosse della terapia genetica o dei farmaci somministrati contemporaneamente.

Nel 1991 l'impresa scozzese PPL Therapeutics riuscì ad allevare una pecora transgenica che nel suo latte produce quantità relativamente alte della proteina umana alfa-1-antitripsina (AAT). L'AAT viene prodotta tuttora con metodi tradizionali e usata per curare gravi malattie dei polmoni. Si è calcolato che basterebbero 2000 pecore transgeniche per coprire il fabbisogno mondiale di AAT. Questo tipo di produzione di farmaci è chiamato "genepharming". Finora non ci sono medicine prodotte con questo metodo sul mercato.

L'ingegneria genetica permette di trasferire singoli geni nel DNA delle piante per ottenere determinate proprietà, come p. es. la resistenza a organismi dannosi. È possibile però anche il contrario, cioè eliminare o quantomeno indebolire una determinata proprietà rimuovendo o disattivando il gene responsabile. È quanto si è fatto con il pomodoro FlavrSavr, il primo alimento geneticamente modificato lanciato sul mercato. Inattivando un determinato gene si sopprime la produzione di un enzima che causa il deterioramento della frutta e della verdura. Con questo trattamento il pomodoro transgenico si conserva più a lungo di quelli tradizionali.

Il lievito è un organismo monocellulare ma, come l'uomo, fa parte degli esseri viventi le cui cellule possiedono un nucleo (eucarioti). Questa sua proprietà lo rende molto interessante per la ricerca. Il lievito Saccharomyces cerevisiae è stato il primo eucariote di cui si è decifrato il genoma (oltre 12 milioni di basi). Questo lavoro, frutto di una collaborazione internazionale, è terminato nel 1996. In precedenza si era riusciti a decifrare genomi molto più piccoli: nel 1983 quello del primo virus (Bakteriophage Lambda) e solo nel 1995 quello del primo batterio (Haemophilus influenzae).

Nel 1998 il team di ricercatori guidato da Jeff Isner a Boston ottenne il primo successo con la terapia genetica: diversi pazienti colpiti da una grave forma di cancrena, ovvero la necrosi di tessuti dovuta a disturbi di circolazione, poterono evitare l'amputazione del piede grazie al trapianto di un gene che promuove la crescita dei vasi sanguigni.

Il primo genoma di un animale, quello del nematode Caenorhabditis elegans, fu decifrato completamente nel 1998. Per decodificare i sei cromosomi con oltre 97 milioni di basi azotate, due team di ricerca americani e inglesi avevano lavorato più di otto anni.

Il deciframento del primo genoma di una pianta, quello della crucifera (Arabidopsis thaliana), con 120 milioni di basi su 5 cromosomi, fu portato a termine nel 2000. A questo lavoro avevano partecipato ricercatori europei, americani e giapponesi.

Nel febbraio del 2001 gli scienziati del progetto internazionale "Humane Genome Project" e della ditta americana "Celera Genomics" hanno pubblicato la prima mappa dettagliata del genoma umano nelle riviste scientifiche "Nature" e "Science". Ne risulta che l'uomo è composto solo di circa 30'000-40'000 geni e non di 100'000 come si supponeva fino ad allora. Il progetto non è però finito qui. Un'altra sfida consiste nello scoprire qual è la funzione dei geni e come questi sono collegati tra di loro. Particolarmente interessanti sono i geni i cui difetti causano delle malattie.

I ricercatori hanno scoperto che dei brevi frammenti di RNA riescono ad aderire ai geni trascritti formando così l'RNA a doppio filamento. L'RNA a doppio filamento viene poi individuato da enzimi specializzati nel degradarlo. La trascrizione del gene viene quindi distrutta, impedendo la produzione della proteina. Questo meccanismo di interferenza dell'RNA è considerato la scoperta rivoluzionaria del 2002 in campo molecolare.

I suini vengono allevati per fornire carne all'uomo. Con lo xenotrapianto questi animali diventano anche una fonte di organi per l'essere umano. Nel 2002 gli scienziati sono infatti riusciti a modificare geneticamente diverse proteine suine, così da ridurre il pericolo di rigetto dell'organo trapiantato.

A seconda del proprio codice genetico, l'uomo possiede delle proteine che degradano i farmaci più o meno velocemente. La stessa dose di un farmaco può quindi avere effetti troppo forti o troppo blandi in base al soggetto. Un chip genico verifica, con una goccia di sangue, di che tipo di proteine dispone il paziente, indicando al medico se la persona metabolizza il farmaco in fretta o lentamente. Questo sistema consente al medico di prescrivere la giusta dose di medicina.

Al momento del concepimento, Elodie è stata scelta in base a determinati criteri genetici: i suoi tessuti hanno le stesse caratteristiche di quelli di suo fratello. La donazione del midollo osseo di Elodie lo ha così salvato da una malattia incurabile. Il concepimento di Elodie è però dovuto avvenire in Belgio, perché, a oggi, questa procedura di selezione è vietata dalla legge Svizzera.

L'arsenico è un veleno. Un semplice apparecchio, che funziona con batteri geneticamente modificati, permette di analizzare se l'acqua potabile è inquinata da questa sostanza. Poiché spesso si può trovare acqua migliore già nella fonte più vicina, questo biosensore risulta molto utile nei paesi in via di sviluppo.

A differenza del genoma (tutti i geni di un organismo), che è sempre stabile, il proteoma (tutte le proteine di un organismo) è molto dinamico. Un esempio: il bruco e la farfalla che ne risulta hanno lo stesso genoma, ma un proteoma completamente diverso. In seguito a un cambiamento della sequenza delle lettere a livello di RNA, un solo gene può dar luogo a proteine diverse. Il proteoma è pertanto molto più vasto del genoma e cambia a seconda dello stadio di sviluppo.

Nell'ottobre 2007 Martin Evans, Mario Capecchi e Oliver Smithies hanno ricevuto il Premio Nobel per la medicina. Martin Evans ha scoperto come ottenere cellule staminali dagli embrioni di topi. I suoi due colleghi sono invece riusciti a capire come modificare un gene nelle cellule staminali (in inglese knock-out), così da inibire la produzione della relativa proteina. Evans ha pensato di inserire nei giovani embrioni di topo la cellula staminale modificata. Crescendo, i topi avevano una parte del tessuto composto da cellule geneticamente modificate, in parte addirittura gli ovuli e gli spermatozoi. Nei discendenti di quegli animali ogni cellula era geneticamente modificata. Se i topi knock-out si ammalavano improvvisamente di cancro, i ricercatori sapevano che il gene soppresso era quello responsabile del controllo della proliferazione delle cellule cancerogene.

Nel 2008 dei ricercatori hanno scoperto il gene NDM-1 espresso da dei batteri che avevano infettato un paziente svedese durante un soggiorno in India. Questo gene conferisce ai batteri una resistenza contro tutta una classe di antibiotici. Questi farmaci sono stati somministrati in grandi quantità in India per contrastare degli importanti focolai di infezioni batteriche. I batteri responsabili delle infezioni hanno però poi acquisito il gene della resistenza NDM-1 da batteri non patogeni dell'intestino umano attraverso un trasferimento di plasmidi, diventando a loro volta resistenti. In questo momento i ceppi pericolosi di questi batteri sono localizzati principalmente in India e in Pakistan, mentre in Europa sono stati trovati solo raramente.

Per identificare le cause genetiche della schizofrenia, un'équipe di ricercatori americani ha analizzato il genoma di 8000 pazienti affetti da schizofrenia e di 19000 persone sane. I ricercatori hanno individuato delle differenze particolarmente importanti sul cromosoma 6 tra pazienti sani e persone malate, dimostrando cosi che la schizofrenia ha origini genetiche. Alcuni di questi geni giocano un ruolo importante a livello del sistema immunitario, perciò i ricercatori hanno potuto stabilire, per la prima volta, una correlazione tra il sistema immunitario e la schizofrenia. Fino ad oggi l'unico sospetto a riguardo veniva dall'osservazione che le persone predisposte alla schizofrenia la sviluppano più velocemente se hanno sono state soggette a gravi infezioni durante l'infanzia.

Nel mese di maggio del 2010 il ricercatore americano Craig Venter impressiona il mondo intero producendo il primo essere vivente dotato di un genoma completamente artificiale. Il ricercatore e la sua équipe hanno ricostruito in laboratorio tutto il genoma del batterio intestinale chiamato Mycoplasma mycoides ricopiando il genoma di questo batterio lettera per lettera. Il genoma artificiale è stato poi trasferito in una cellula batterica ricevente. Per far sì che il genoma sia considerato come artificiale, i ricercatori hanno inserito in modo codificato i propri nomi e un indirizzo email. La persona che riesce a decifrare il codice può inviare loro un'email.

Da quando è stato completato il sequenziamento del genoma umano nel 2001, la funzione del 90% della sequenza di DNA non è per niente chiara. I ricercatori hanno infatti determinato che solo il 3% del DNA genomico corrisponde alla sequenza di geni funzionanti, cioè di geni che effettivamente portano alla costruzione di proteine. Il restante DNA è stato pertanto soprannominato 'junk-DNA' (DNA-spazzatura). Un consorzio internazionale composto da più di 440 scienziati, provenienti da 32 laboratori sparsi per il mondo, si è lanciato alla ricerca della soluzione all'enigma del junk-DNA. Questo progetto è stato chiamato ENCODE (ENCyclopedia Of DNA Elements). Nel settembre 2012 i membri del team ENCODE hanno pubblicato i loro primi risultati: l'80% delle regioni del genoma con funzione fino ad oggi sconosciuta possiedono un'attività biochimica. Una parte importante di questo DNA gioca un ruolo rilevante nella regolazione dell'attività genica. Questo contribuisce a spiegare come sia possibile che una cellula epatica e una cellula nervosa si possano sviluppare da una cellula-precursore comune. La differenza tra i due tipi di cellule non è contenuta nell'informazione genetica, ma nella regolazione della sua attività. Questa regolazione si basa sulla presenza di sequenze regolatrici specifiche per determinati fattori di trascrizione e sulla generazione di copie diverse di RNA. I meccanismi di regolazione determinano se, quando e in quale quantità una proteina è prodotta. Le conoscenze acquisite attraverso il progetto ENCODE spiegano perché delle mutazioni situate in queste regioni, fino ad allora considerate come non funzionali, siano associate a diverse malattie.

I batteri si difendono dai virus mediante un sistema specifico denominato “CRISPR-Cas”. Nel 2012, Jennifer A. Doudna ed Emmanuelle Charpentier hanno scoperto come apportare modifiche mirate nei geni sfruttando questo sistema. Tramite brevi frammenti di RNA si riesce a guidare con precisione l’enzima Cas9 su siti di DNA che vengono poi tagliati. Con questo metodo è possibile distruggere determinati geni o inserirvi nuove sequenze. L’utilizzo del sistema CRISPR-Cas nella ricerca è molto semplice ed economico, per esempio per ottenere topi transgenici nell’arco di poche settimane, invece dei tempi finora necessari (fino a due anni). Applicando tale metodo, nel 2014 Daniel Anderson e il suo gruppo di ricerca sono riusciti a correggere una mutazione patologica nei topi. Molti ricercatori desiderano una regolamentazione chiara, che impedisca l’abuso della tecnica.