Il genoma, cioè il complesso dei geni che definiscono l’individuo, è un documento immenso che viene trasmesso da ogni cellula madre alla cellula figlia.
L'immensità di questo "documento" emerge dalle cifre seguenti: il genoma umano è composto da circa 100.000 geni recanti serie di istruzioni per la sintesi di decine di migliaia di proteine e di alcune strutture (per esempio, ribosomi), localizzati su 23 coppie di cromosomi presenti nel nucleo di ciascuna cellula. Ogni proteina richiede, a sua volta, una media di 300-400 istruzioni per altrettanti amminoacidi. Ed ogni amminoacido viene definito da una tripletta di basi di DNA espressa in un alfabeto di sole quattro lettere: A, T, C, G (adenina, timina, citosina, guanina).
Si aggiunga, a tutto ciò, che il DNA che serve a codificare le proteine è solo una piccola parte del DNA totale: la maggior parte del DNA, e delle relative sequenze di basi, ha una funzione sconosciuta.
Complessivamente, il genoma umano conta circa 3 miliardi di coppie di basi disposte in una lunghissima sequenza (DNA) raccolta in 46 cromosomi. Nel nucleo di ogni cellula umana vi è un DNA che, svolto per intero, formerebbe un filamento lungo più di un metro.
Il genoma umano, frutto di un'evoluzione durata alcuni miliardi di anni, è estremamente prezioso per l'umanità. Ma fino a pochi decenni fa era del tutto sconosciuto. Nel 1992 solo una piccola parte dei geni umani era stata decifrata, almeno parzialmente.
Allo scopo di conoscere i geni che codificano gli individui della specie umana, la comunità scientifica ha dato inizio, nel 1987, a un grande progetto di ricerca che coinvolge centinaia di laboratori di tutto il mondo: il Progetto Genoma Umano.
Il DNA analizzato dal Progetto Genoma Umano proviene da piccoli campioni di sangue o di altri tessuti, ottenuti da molti individui diversi. Benché i geni del patrimonio genetico di ciascuno individuo siano costituiti da sequenze uniche di DNA, la variazione media del genoma di due persone diverse risulta essere inferiore all’1%. Quindi, rispetto alle somiglianze, le differenze tra i campioni di DNA ottenute da fonti diverse si possono considerare estremamente ridotte.
L’idea di intraprendere uno studio coordinato del genoma umano sorse tra il 1985 e il 1987, nel corso di una serie di congressi scientifici internazionali. Nel 1988 due istituzioni governative statunitensi, il National Institutes of Health (NIH) e il Dipartimento dell’energia (DOE) stanziarono i fondi necessari e formalizzarono la loro collaborazione con un documento in cui si proponevano di coordinare la ricerca e le procedure tecniche per lo studio del genoma umano.
L’avvio delle ricerche si ebbe nel 1990 anche con il coinvolgimento di istituti di ricerca pubblici coordinati dal NIH, con un piano quinquennale degli istituti coinvolti; tra gli obiettivi, erano indicati il sequenziamento e la mappatura di organismi comunemente impiegati nei laboratori di ricerca genetica e della specie umana; la diffusione dei dati tra i vari centri e lo sviluppo delle tecnologie di laboratorio. In realtà, nel 1993, prima dello scadere dei cinque anni, poiché erano stati compiuti molti progressi in tempi più rapidi del previsto ed erano state elaborate nuove efficienti procedure sperimentali, il piano quinquennale originario fu rivisto e aggiornato. La scadenza fu prorogata al 1998 con l'aggiunta di nuove finalità, tra cui la ricerca di marciatori genetici e la messa a punto di nuove tecniche di mappatura. Nel 1998 un nuovo accordo quinquennale tra NIH e DOE fissò al 2003 il completamento dei lavori e aggiunse all’obiettivo originario anche quello dello studio della variabilità genetica del genoma umano e della sua funzione.
Uno dei primi direttori del progetto fu il biochimico statunitense James Watson che, con il biofisico britannico Francis Crick, elaborò lo storico "modello a doppia elica" del DNA. Attualmente, il progetto è coordinato dal medico statunitense Francis Collins.
Mappatura del DNA
Per procedere all'analisi della struttura del DNA, i frammenti di acido nucleico vengono fissati in piastre analoghe a quella
qui illustrata, costituite da gel, nelle quali per elettroforesi è avvenuta la separazione delle diverse componenti. In tal modo, ricorrendo a sofisticate elaborazioni al computer, i frammenti possono essere confrontati con sequenze già note ed essere decifrati.
Il Progetto Genoma Umano è un progetto internazionale di ricerca che ha come obiettivo la mappatura del patrimonio genetico umano (genoma), ovvero la descrizione della struttura, della posizione e della funzione dei 100.000 geni che caratterizzano la specie umana. Lo studio del genoma implica il sequenziamento del DNA, cioè l’identificazione dell’esatta sequenza dei tre miliardi di coppie di basi azotate che ne compongono la molecola e la mappatura, ovvero la determinazione della posizione occupata da ciascun gene rispetto agli altri. La comprensione della funzione del gene e di quali malattie possano derivare da sue alterazioni costituisce l’obiettivo finale del progetto. Nel 1992 erano già stati mappati, quasi completamente, due cromosomi umani: il cromosoma 21 (la cui trisonomia causa la sindrome di Down) e il cromosoma maschile Y. Lo studio del cromosoma 21 ha richiesto lo studio di 810 spezzoni per ricostruire la sequenza di quasi 50 milioni di basi.
Come se tutto ciò non bastasse, gli scienziati sono impegnati a decodificare anche il genoma di alcuni organismi di grande interesse biologico e sperimentale, e precisamente di un batterio (Escherichia coli), di un lievito (Saccharomyces cerevisiae), di un moscerino (Drosophila melanogaster), di un nematode (Caenorhabditis elegans) e del topo comune (Mus musculus). La conoscenza del genoma di questi organismi permetterà di condurre ricerche e sperimentazioni che, per motivi etici o pratici, non è possibile condurre sull'uomo.
Molecola di DNA
Una molecola di DNA ha la forma di una scala a pioli elicoidale, in cui i montanti sono costituiti da zuccheri e fosfati, e i pioli da coppie di quattro diverse basi azotate: adenina (A), timina (T), citosina (C) e guanina (G). Una determinata sequenza di coppie di basi azotate costituisce un gene; l'informazione in essa contenuta viene interpretata secondo il codice genetico, che stabilisce una corrispondenza tra basi azotate e amminoacidi. In tal modo i geni regolano la sintesi delle proteine.
Al di là dell’importanza intrinseca delle nuove conoscenze nell’ambito della genetica, il progetto ha molte altre implicazioni che lo rendono particolarmente rilevante: infatti, costituisce l’ideale campo di sperimentazione di nuove procedure di laboratorio che possono poi essere applicate in altre ricerche di biologia molecolare e ingegneria genetica; inoltre, stimola lo sviluppo di sistemi integrati di informazione, data la necessità dei diversi centri di ricerca di comunicare e di accedere a banche-dati comuni. Quindi, obiettivi non secondari del Progetto Genoma Umano sono la produzione di nuove tecnologie per le indagini di laboratorio, per la creazione di database in cui organizzare l’immane quantità di informazioni ottenute.
Lo studio del patrimonio genetico offre anche numerosi spunti alla riflessione bioetica, che riguardano, per citarne alcuni, la legittimità dell’uomo di manipolare i geni, la liceità di porre un brevetto sulle scoperte, la possibilità di perseguire la strada della terapia genica per la risoluzione di alcune malattie genetiche. Allo scopo di esaminare i possibili risvolti etici, legali e sociali della "questione genetica", i promotori del Progetto Genoma Umano costituirono al suo avvio una commissione speciale, la ELSI (Ethical, Legal and Social Implications project).