Pietra miliare scientifica: hanno finito di decodificare un intero genoma umano

Sebbene sia stato quasi completo per decenni, gli scienziati affermano che, alla fine, sono riusciti a finire di decodificare il genoma umano, l'insieme di istruzioni per la costruzione e il mantenimento di un essere umano.

Questo piano genetico, secondo i partecipanti allo studio pubblicato questo giovedì sulla rivista Science, è stato completamente assemblato. Un team internazionale ha descritto il primo sequenziamento di un genoma umano completo. Lo sforzo precedente, celebrato in tutto il mondo, era incompleto perché le tecnologie di sequenziamento del DNA dell'epoca non potevano leggere alcune parti di esso. Anche dopo gli aggiornamenti , mancava circa l'8% del genoma.

«Alcuni dei geni che ci rendono solo umani erano in realtà in questa» materia oscura del genoma «e sono stati completamente trascurati», ha detto Evan Eichler, un ricercatore presso l'Università di Washington che ha partecipato allo sforzo attuale e all'originale Progetto Genoma Umano. «Ci sono voluti più di 20 anni, ma alla fine ci siamo riusciti», ha sottolineato.

Molti, compresi gli studenti di Eichler, pensavano che fosse finita. «Stavo insegnando loro e mi hanno detto: 'Aspetta un minuto. Non è come la sesta volta che dichiarano vittoria? Ho detto: 'No, questa volta ce l'abbiamo fatta davvero!

Gli scienziati hanno affermato che questo quadro completo del genoma darà all'umanità una maggiore comprensione della nostra evoluzione e biologia, aprendo anche le porte a scoperte mediche in settori come l'invecchiamento, le malattie neurodegenerative, il cancro e le malattie cardiache.

«Stiamo semplicemente ampliando le nostre opportunità di comprendere le malattie umane», ha affermato Karen Miga, autrice di uno dei sei studi pubblicati giovedì.

La ricerca culmina in decenni di lavoro. La prima bozza del genoma umano è stata annunciata durante una cerimonia alla Casa Bianca nel 2000 dai leader di due entità concorrenti: un progetto internazionale finanziato pubblicamente guidato da un'agenzia del Dipartimento del Commercio degli Stati Uniti e da una società privata, Celera Genomics, con sede nel Maryland.

«Il consorzio telomere-to-telomere (T2T) ha completato la prima sequenza veramente completa di 3.055 miliardi di coppie di basi (bp) di un genoma umano, che rappresenta il più grande miglioramento del genoma di riferimento umano dal suo lancio iniziale», hanno scritto gli scienziati lo scorso giugno, in un articolo pubblicato sulla ricerca server biorXiv, poiché fino ad allora non è stato sottoposto a revisione paritaria, cosa che alla fine è successo ora.

Il nuovo genoma è un balzo in avanti, hanno detto i ricercatori all'epoca, reso possibile dalle nuove tecnologie di sequenziamento del DNA sviluppate da due società del settore privato: la California Pacific Biosciences, nota anche come PacBio, e la britannica Oxford Nanopore. Le sue tecnologie per la lettura del DNA presentano vantaggi molto specifici rispetto agli strumenti che sono stati a lungo considerati fondamentali per i ricercatori.

«Questo 8% del genoma non è stato trascurato a causa della sua mancanza di importanza, ma a causa dei limiti tecnologici», hanno scritto i ricercatori. «Il sequenziamento a lunga lettura ad alta precisione ha finalmente eliminato questa barriera tecnologica, consentendo studi completi sulla variazione genomica attraverso il genoma umano. Tali studi richiederanno necessariamente un genoma di riferimento umano completo e accurato, che alla fine guiderà l'adozione del set T2T-CHM13 qui presentato».

Il genoma umano è costituito da circa 3,1 miliardi di subunità di DNA, coppie di basi chimiche conosciute con le lettere A, C, G e T. I geni sono stringhe di queste coppie di lettere che contengono istruzioni per produrre proteine, gli elementi costitutivi della vita. Gli esseri umani hanno circa 30.000 geni, organizzati in 23 gruppi chiamati cromosomi che si trovano nel nucleo di ciascuna cellula.

Finora «grandi e persistenti lacune che sono state sulla nostra mappa, e queste lacune cadono in regioni abbastanza importanti», ha detto Miga.

Miga, ricercatrice di genomica presso l'Università della California-Santa Cruz, ha lavorato con Adam Phillippy del National Institute for Human Genome Research per organizzare il team di scienziati per iniziare da zero con un nuovo genoma con l'obiettivo di sequenziare tutto, compresi i pezzi mancanti. Il gruppo, chiamato per le sezioni alle estremità dei cromosomi, chiamato telomeri, è noto come il consorzio Telomere to Telomere, o T2T.

Il suo lavoro aggiunge nuove informazioni genetiche al genoma umano, corregge errori precedenti e rivela lunghi tratti di DNA che sono noti per svolgere un ruolo importante sia nell'evoluzione che nella malattia. Una versione della ricerca è stata pubblicata l'anno scorso prima di essere esaminata da colleghi scienziati.

«Direi che questo è un enorme miglioramento del Progetto Genoma Umano», che raddoppia il suo impatto, ha detto il genetista Ting Wang della University of Washington School of Medicine di St. Louis, che non è stato coinvolto nelle indagini.

Eichler ha detto che alcuni scienziati erano soliti pensare che le aree sconosciute contenessero «spazzatura». Ma «alcuni di noi hanno sempre pensato che ci fosse oro in quelle colline», ha detto.

Si scopre che l'oro include molti geni importanti, ha detto, come quelli essenziali per rendere il cervello di una persona più grande di quello di uno scimpanzé, con più neuroni e connessioni.

Per trovare tali geni, gli scienziati avevano bisogno di nuovi modi di leggere il criptico linguaggio genetico della vita. La lettura dei geni richiede il taglio di filamenti di DNA in pezzi da centinaia a migliaia di lettere. Le macchine di sequenziamento leggono le lettere su ogni pezzo e gli scienziati cercano di mettere i pezzi nell'ordine giusto. Ciò è particolarmente difficile nelle aree in cui le lettere vengono ripetute.

Gli scienziati hanno affermato che alcune aree erano illeggibili prima dei miglioramenti nelle macchine per il sequenziamento genico che ora consentono loro, ad esempio, di leggere con precisione un milione di lettere di DNA alla volta. Ciò consente agli scienziati di vedere i geni con aree ripetute come catene più lunghe piuttosto che frammenti che in seguito hanno dovuto mettere insieme.

I ricercatori hanno anche dovuto superare un'altra sfida: la maggior parte delle cellule contiene genomi sia della madre che del padre, il che confonde i tentativi di assemblare correttamente le parti. I ricercatori di T2T hanno risolto questo problema utilizzando una linea cellulare di una «talpa idatiforme completa», un ovulo fecondato anormale che non contiene tessuto fetale e che ha due copie del DNA del padre e nessuno del DNA della madre.

Il prossimo passo sarà quello di mappare più genomi, compresi quelli che includono raccolte di geni di entrambi i genitori. Questo sforzo non ha mappato uno dei 23 cromosomi trovati negli uomini, chiamato cromosoma Y, perché la talpa conteneva solo una X.

Wang ha detto che sta lavorando con il gruppo T2T nel Consorzio di riferimento del pangenoma umano, che sta cercando di generare genomi «di riferimento» o modello per 350 persone che rappresentano l'ampiezza della diversità umana.

«Ora abbiamo un genoma corretto e dobbiamo fare molti, molti di più», ha detto Eichler. «Questo è l'inizio di qualcosa di veramente fantastico per il campo della genetica umana».

In un altro notevole progresso nella genetica, lo scorso febbraio gli scienziati dell'Università di Oxford hanno creato il primo albero genealogico dell'umanità. «Il background teorico delle genealogie a livello di genoma, che descrivono come abbiamo ereditato i geni dai nostri antenati, si è sviluppato negli ultimi tre decenni», ha spiegato Anthony Wilder Wohns, ricercatore post-dottorato presso il Broad Institute del MIT e Harvard, ex studente di dottorato presso i Big Data Institute (BDI) dell'Università di Oxford e autore principale della ricerca-. Tuttavia, stimare davvero questa struttura è un problema statistico estremamente difficile».

Le difficoltà associate alla combinazione di enormi set di dati provenienti da un gran numero di banche dati diverse sono state un grosso ostacolo a questo sforzo di ricerca, fino ad ora. Wilder Wohns, un altro autore principale di questo nuovo studio condotto durante il suo periodo al BDI, ha riferito su «un nuovo metodo per combinare facilmente milioni di sequenze genomiche da popolazioni antiche e moderne».

Insieme ai suoi colleghi, Wohns ha usato questo metodo per creare una «prima bozza» dell'albero genealogico dell'umanità. «Abbiamo ideato un nuovo algoritmo che deduce le relazioni genetiche senza la necessità di confrontare ogni sequenza di DNA l'una contro l'altra e lo abbiamo combinato con un altro algoritmo che pone le date sugli antenati comuni trattando tutte le ascendenze come un'unica rete», ha spiegato. Inoltre, stimando l'intera genealogia dell'umanità, siamo stati in grado di creare algoritmi che ci hanno permesso di utilizzare l'intero genoma per stimare quando e, per la prima volta, dove vivevano i nostri antenati».

CONTINUA A LEGGERE