Il Genoma è frattale

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Dopo aver intervistato Dan Winter per il numero in uscita (il 30), inventore del biofeedback (sintonizzatore del cuore e altri tipi) ed esperto di geometria sacra, di frattali e frattalità, la notizia che segue ha particolarmente attratto la mia attenzione.

Nel senso che, è da tempo che Dan Winter si è accorto di quello che Science rende evidente a seguito di relazioni su studi attualissimi riguardo la struttura frattale del DNA e dell'influenza di tale struttura sulla funzione globale del genoma.

In poche parole si sta spostando l'attenzione dal discorso della sequenza-contenuto a quello della forma-posizione nello spazio. L'assunzione da parte dei geni di una posizione spaziale piuttosto di un'altra e, a seguito, di una variazione della forma geometrica, sembrano influenzare la funzionalità dell'intero genoma.

Si potrebbe parlare di una costellazione di cromosomi la cui organizzazione spaziale fa da regolatore del genoma stesso. E la sua immagine in 3D appare essere, guarda caso, un magnifico frattale. Matematicamente si tratta di una curva di Hilbert, conosciuta anche come curva spazio-riempiente o che può riempire uno spazio bidimensionale, senza mai sovrapporsi - e poi seguire un movimento identico in tre dimensioni. Per la prima volta è stata descritta nel 1891 dal matematico tedesco David Hilbert
 

Curva di Hilbert, da wikipedia.org

In parte riassunta ecco la news uscita su WiredScience (vedi fonte a fine articolo), l'8 ottobre scorso a cura di Brandon Keim.

“Rompendo il DNA in milioni di pezzi e capovolgendo ingegneristicamente la loro posizione, i ricercatori hanno prodotto l'immagine a più alta risoluzione mai ottenuta della struttura tridimensionale del genoma.

L'immagine è una delle eccezionali glorie frattali e la tecnica potrebbe aiutare gli scienziati a investigare come la forma stessa del genoma e non solo il contenuto del suo DNA influenzi lo sviluppo umano e la malattia.

“Diventa chiaro che l'organizzazione spaziale dei cromosomi è critica nel regolare il genoma” ha detto il co-autore degli studi Job Dekker, un biologo molecolare della Medical School, Università del Massachusetts. “Questo apre a nuovi aspetti della regolazione del gene finora non disponibili all'indagine. Ci porterà a un bel po' di nuove domande.”

Come descritto nei libri di testo di biologia di base, il genoma umano consiste di 46 cromosomi distinti: 22 cromosomi o autosomi, più i cromosomi che determinano il sesso: X e Y.. I cromosomi 1–22 sono irregolarmente numerati in ordine di grandezza decrescente. Le cellule somatiche, di solito, possiedono una copia dei cromosomi 1–22 proveniente da ciscun genitore, più un cromosoma X dalla madre, ed un cromosoma X o Y dal padre, per un totale di 46. Ogni cromosoma è un assemblaggio di DNA e proteine, disposto ordinatamente a forma di X all'interno di ogni nucleo della cellula. Ma questo soltanto nel breve intervallo in cui le cellule sono sul punto di dividersi. Il resto del tempo, i cromosomi sono presenti in un denso e sempre mutevole ciuffo.

Per decenni, alcuni biologi cellulari hanno sospettato che la compressione del genoma fosse non solo un meccanismo efficace di archiviazione, ma legata alla funzione stessa e all'interazione dei suoi geni. Ma questo non era facile da studiare: l'atto di sequenziare il genoma distrugge la sua forma, e i microscopi elettronici riescono a malapena a penetrare la sua superficie attiva. Se i suoi elementi costitutivi sono noti, la vera forma del genoma è stata un mistero.

Nel mese di aprile, un documento pubblicato nel Proceedings of the National Academy of Sciences aveva legato modelli di attivazione dei geni alla loro vicinanza fisica sui cromosomi. Ciò fornisce ancora la prova più convincente che attribuisce al genoma la responsabilità di dar forma alla materia, nonostante la mappa dei cromosomi a disposizione dei ricercatori fosse, relativamente, a bassa risoluzione. “Non conoscevamo l'organizzazione interna. Ora possiamo osservarla in alta risoluzione, cercare di collegare tale struttura con l'attività dei geni, e vedere come cambia la struttura nelle cellule e nel tempo ", ha detto Dekker.

Per determinare la struttura del genoma, senza essere in grado di vederlo direttamente, i ricercatori prima hanno immerso i nuclei cellulari nella formaldeide, che interagisce con il DNA come la colla. La formaldeide appiccica insieme i geni che sono distanti gli uni dagli altri in lineari sequenze genomiche, ma adiacenti gli uni agli altri nel reale spazio tridimensionale del genoma.

I ricercatori hanno poi aggiunto una sostanza chimica in grado di spezzare i legami della sequenza lineare di gene dopo gene, lasciando però i collegamenti della formaldeide intatti. Studiando le coppie, i ricercatori sono stati in grado di dire quali geni erano vicini gli uni agli altri nel genoma originale. Con l'aiuto di un software che, con riferimenti incrociati, univa le coppie del gene con le loro sequenze conosciute nel genoma, hanno assemblato una scultura digitale del genoma. E che scultura!

"Non ci sono nodi. E' completamente disimpigliata. È come una palla incredibilmente densa di spaghetti, ma è possibile estrarre alcuni degli spaghetti e rimetterli dentro, senza affatto disturbare la struttura", ha detto il biologo computazionale Erez Lieberman-Aiden, della Harvard University, anch'egli un co-autore agli studi. 

Forma tridimensionale del genoma

Curva di Hilbert bidimensionale

Come l'evoluzione sia arrivata a questa soluzione dalla sfida dello stoccaggio del genoma è sconosciuta. Potrebbe essere una proprietà intrinseca della cromatina, dell'insieme di DNA e proteine di cui sono fatti i cromosomi. I ricercatori hanno anche scoperto che i cromosomi hanno due regioni, una per i geni attivi e un altra per i geni inattivi, non espressi, e le curvature libere consentono ai geni di essere trasferiti facilmente tra di loro.

Lieberman-Aiden ha paragonato la configurazione alle fila compresse di scaffali meccanizzati che si trovano nelle grandi biblioteche. "Sono come pile, l'una accanto all'altra e l'una sull'altra, senza alcuno spazio in mezzo. E quando il genoma vuole usare un gruppo di geni, si apre la fila. La segregazione dei geni attivi e non, aggiunge elementi di prova che la struttura del genoma interessa la funzione del gene.

 “E' una buona descrizione della struttura del genoma nel nucleo che, aggiunta a quello che abbiamo fatto, costituisce il quadro generale", ha detto Steven Kosak, un biologo cellulare della Northwestern University e co-autore della relazione di aprile PNAS, che lega i grezzi contorni di accordo del cromosoma con l'attivazione del gene. Sebbene lo studio abbia osseravto solo un paio di cromosomi, la relazione di Science "guarda all'alta risoluzione dell'intero genoma", ha detto Kosak.

"Ora si è in grado di produrre queste mappe del genoma e sovrapporle con le estese analisi del genoma a livello di espressione genica. Si può veramente cominciare a chiedersi come i cambiamenti di organizzazione spaziale si riferiscano ai cambiamenti nei geni che si accendono e spengono", ha detto Tom Misteli, un biologo cellulare al National Cancer Institute, che studia come le anomalie nella struttura dei cromosomi possano attivare le cellule cancerose. Peraltro, né Misteli né Kosak sono stati coinvolti nello studio di Science.

Collegare la forma del genoma con la funzione del gene potrebbe anche aiutare a spiegare la connessione tra geni e malattie, che rimane in gran parte inspiegabile dalla genomica tradizionale, focalizzata sulla sequenza genica.

"E 'perfettamente ragionevole e quasi inevitabile che la struttura 3D del DNA influenzi il suo funzionamento", ha dichiarato Teri Manolio, direttore dell'ufficio del National Human Genome Research Institute of Population Genomics.

I ricercatori vogliono anche studiare come si alteri la forma del genoma. Sembra che accada costantemente durante la transizione da cellule staminali indifferenziate a cellule adulte differenziate e, poi, durante la funzione cellulare”. [fine del rapporto news]

È lecito chiedersi quale apporto e ripensamento queste nuove scoperte possano portare alla manipolazione genetica. Spostare gli addendi del genoma, alla luce di tali novità, non sembra essere un leggero giochetto da ragazzi. Non è solo una mera questione di forma, ma un profondo intervento invasivo sulla funzionalità. Conviene tenerne conto.

Fonte: clicca qui

Colour Images: From Science, a two-dimensional Hilbert curve, and the three-dimensional shape of a genome.

Traduzione e riadattamento di Elsa Masetti, per Scienza e Conoscenza

Di più sulla Curva di Hilbert e simili, clicca sul video

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