I paradossi della genomica

Quanto DNA è presente in una cellula? Come fa a starci tutto? È vero che all’aumentare della complessità di un organismo aumenta anche la quantità di DNA e di geni?

Come si nota dall’immagine copertina di questo articolo, la quantità di DNA in una cellula è piuttosto abbondante. Nello specifico l’immagine rappresenta un ceppo di Escherichia coli K-12 trattato con un detergente blando in modo da far fuoriuscire il DNA senza distruggerlo. La lunghezza di quella lunga cosa filamentosa tutt’attorno a E. coli è di 4,6 Mb (megabasi), ovvero 4,6 milioni di paia di basi. Se distendessimo questo DNA in linea retta, sarebbe lungo circa 1,4 mm…ma riesce a stare all’interno del batterio stesso, grande appena 1 µm!

Se consideriamo poi una cellula umana (decisamente più grande, da 10 a 100 volte rispetto a E. coli), il DNA che troviamo raggiunge la bellezza di 3,1 Gb (gigabasi), ovvero 3,1 miliardi di basi (per genoma aploide): se immaginassimo di distendere tutto questo DNA in linea retta raggiungeremmo i 2 metri…ma una cellula umana media è grande non più di 50 µm!

Eppure, tutto questo materiale genetico ci sta comodo comodo all’interno della cellula, anzi, all’interno del solo nucleo (nel caso di cellule eucariotiche), o in corrispondenza del nucleoide se parliamo di cellule procariotiche. Come? In maniera compatta, la risposta sembra scontata! Infatti, il DNA non è mai da solo potremmo dire, perché viene avvolto attorno a proteine istoniche o simil-istoniche (nel caso di procarioti) che rendono possibile un impacchettamento estremamente efficiente, limitando la repulsione elettrostatica dei gruppi fosfato del DNA e compattandolo nelle strutture note come cromosomi (figura 1).

Figura 1 – Schematizzazione dell’impacchettamento del DNA dentro una cellula, dalla nota doppia elica fino alla struttura compatta di cromosoma.

A questo punto sembra lecito domandarsi se la quantità di geni, cromosomi e DNA in generale aumenta con la complessità di un organismo…ma la risposta qui è meno scontata di prima ed è no. Ci si trova davanti ai cosiddetti tre paradossi della genomica:

  • Paradosso C: la complessità di un organismo non è correlata alla grandezza del suo genoma.
  • Paradosso K: la complessità di un organismo non è correlata al numero dei suoi cromosomi.
  • Paradosso N: la complessità di un organismo non è correlata al numero dei suoi geni.

Non siete convinti? Date un’occhiata alla figura 2 qui sotto:

Figura 2a – Grandezza del genoma in diversi organismi.
Figura 2b – Numero di cromosomi in diversi organismi.
Figura 2c – Numero di geni in diversi organismi.

E’ possibile spiegare tutto ciò? Innanzitutto è bene sottolineare come complessità non voglia affatto dire che un organismo è più o meno evoluto di un altro: ad esempio E coli è assolutamente e perfettamente evoluto per adattarsi al suo ambiente e alle sue necessità, anche se potremmo definirlo decisamente meno complesso di un essere pluricellulare quale l’uomo. Molto probabilmente poi stiamo contando la cosa sbagliata, ovvero non sono i tanti geni codificanti per proteine o la lunghezza del genoma a fare la complessità, ma piuttosto il numero di diverse interazioni e livelli di regolazione presenti nel genoma.

Andando ad osservare infatti la densità genica (figura 3) di vari organismi quello che salta all’occhio è come, più “complesso” un organismo è, minore è la densità genica. Quello che aumenta quindi non sono per forza il numero di cromosomi, geni o basi, ma il genoma non codificante, la cosiddetta dark matter della genomica, che solo negli ultimi decenni è stata rivalutata per la sua essenziale funzione nei processi di interazione e di regolazione (come ad esempio per lo splicing, gli enhancers, RNAi, lncRNAs, …).

Figura 3 – Esempi di alcuni organismi con relativo numero di cromosomi, paia di basi e densità genica.

Diversi sono i progetti internazionali rivolti proprio alla comprensione delle varie interazioni e regolazioni che governano la fisiologia cellulare e degli organismi, per cercare di capire sempre più questa complessità e costituire una sorta di enciclopedia degli elementi genomici. Tra questi ad esempio:

ENCODE – progetto che mira a fornire una mappa dettagliata di tutti gli elementi funzionali del genoma umano

FANTOM5 – progetto volto a indagare gli elementi genomici che regolano l’enorme diversità tra i vari tipi di cellule del corpo umano

Genomic Science Project – progetto che cerca di identificare gli elementi genomici molecolari e regolatori di piante e microrganismi nell’ambiente

 

Roberto Amadio

 

Bibliografia ed approfondimenti

https://moodle2.units.it/pluginfile.php/104451/mod_forum/attachment/5812/5-Struttura%20e%20complessit%C3%A0%20di%20genomi%20procariotici%20ed%20eucariotici%20BS.pdf

Credits foto

http://microbiologiatalia.tumblr.com/page/3

https://www.differencebetween.com/difference-between-chromatin-and-vs-nucleosome/

https://moodle2.units.it/pluginfile.php/104451/mod_forum/attachment/5812/5-Struttura%20e%20complessit%C3%A0%20di%20genomi%20procariotici%20ed%20eucariotici%20BS.pdf

(modifica da) http://www.treccani.it/enciclopedia/la-grande-scienza-genomica-e-postgenomica_%28Storia-della-Scienza%29/

Laureato in biologia, specializzando in Genomica Funzionale presso l’università di Trieste. Musicista (strimpellatore), animatore per bambini e ragazzi (ci provo), curioso e appassionato di divulgazione scientifica. Umorismo anomalo (dicono), adoro le escursioni in montagna e i tramonti sul mare.

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Laureato in biologia, specializzando in Genomica Funzionale presso l'università di Trieste. Musicista (strimpellatore), animatore per bambini e ragazzi (ci provo), curioso e appassionato di divulgazione scientifica. Umorismo anomalo (dicono), adoro le escursioni in montagna e i tramonti sul mare.

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