La genetica (dal greco ghenetikós, “relativo alla nascita”) è la branca della biologia che studia il DNA, i geni che lo caratterizzano, l’ereditarietà e la variabilità genica (mutazioni) negli organismi viventi. Il DNA è una macromolecola con la forma di una doppia elica, contenuta nel nucleo di ogni cellula e in piccola parte nei mitocondri, di ciascuna delle centomila miliardi di cellule di cui è composto il nostro corpo. Questa macromolecola contiene le informazioni indispensabili allo sviluppo e al funzionamento dell’organismo.
L’attività principale del DNA è produrre proteine per regolare le molteplici attività vitali. Le proteine di cui abbiamo bisogno per vivere sono tantissime, migliaia, di lunghezza e forme diverse, ma tutte costituite da una combinazione di aminoacidi (tra i venti disponibili in natura) disposti a catena uno dopo l’altro. Ciò che è davvero degno di nota è che il nostro DNA è sempre lo stesso in tutti i circa duecento tipi diversi di cellule che compongono l’organismo (pelle, nervi, muscoli, fegato, ossa ecc.). In altre parole, i diversi tipi di cellule hanno tutte le stesse “istruzioni”. Ma come è possibile, allora, che si differenzino e si specializzino in cellule molto diverse tra loro? È possibile perché nello zigote – la cellula uovo fecondata dallo spermatozoo – all’inizio nascono cellule indifferenziate, ovvero che possono trasformarsi in qualunque tipo di cellula, fino a che si forma l’embrione dove inizierà il processo di differenziazione.
Per potersi differenziare, le cellule utilizzano una semplice strategia: lasciano attive solo le informazioni geniche utili alla propria specializzazione (per esempio, pelle) e oscurano definitivamente (ma non eliminano) i dati relativi alle specializzazioni di altre cellule (intestino, ossa, muscoli).
Come funziona il DNA e cosa sono i geni
Possiamo paragonare tutto il DNA a una lunghissima sequenza di lettere dell’alfabeto utilizzate per creare istruzioni ben precise, suddivise per argomenti e poi raccolte in una serie di volumi come a far parte di una grande enciclopedia.
In questo modello, quindi, l’intero DNA di una cellula rappresenta il contenuto di tutta l’enciclopedia, i cromosomi (porzioni di DNA spiralizzato) sono paragonati ai singoli volumi enciclopedici che trattano ciascuno una determinata materia. Ci sono tanti volumi quanti sono i cromosomi (ventitré coppie nell’organismo umano). I geni rappresentano, invece, all’interno di ogni volume, i singoli capitoli (argomenti) che sono trattati con descrizioni più o meno dettagliate. I geni a loro volta sono costituiti da esoni, che rappresentano le frasi di un paragrafo all’interno di ogni capitolo: essi contengono le istruzioni per produrre le proteine. Tali istruzioni devono prima essere trascritte su un filamento di RNA (acido ribonucleico) che viene sintetizzato apposta per questo scopo. Il trasferimento dell’informazione genetica dal DNA all’RNA si chiama “trascrizione” ed è la prima fase dell’espressione genica, ovvero l’insieme dei passaggi necessari per trasferire l’informazione del DNA laddove serve per raggiungere come unico obiettivo quello di produrre proteine utili al funzionamento dell’organismo. Dopo la trascrizione, l’RNA esce dal nucleo della cellula e va nei ribosomi, dove inizia la seconda fase dell’espressione genica che si chiama “traduzione”: essa corrisponde alla produzione-stampo delle proteine che servono. La cosa fondamentale da sapere è che mentre la sequenza di informazioni del DNA non cambia, l’espressione genica, come vedremo meglio, può variare essendo soggetta agli stimoli ambientali, come l’alimentazione, l’attività fisica, lo stato emozionale, il riposo ecc.
ENCICLOPEDIA | FILAMENTO DI DNA A DOPPIA ELICA |
Volumi | Cromosomi: tipiche strutture spiralizzate del DNA che si formano in fase di duplicazione. Nell’essere umano ci sono 23 coppie di cromosomi per un totale di 46 “volumi”. |
Capitoli principali di ogni volume | Geni: ampi settori di DNA che si occupano di specifiche attività strutturali o funzionali dell’organismo. Nell’essere umano ci sono circa 20.000 geni. |
Frasi contenute nei paragrafi | Esoni: le porzioni di un gene che contengono le istruzioni per produrre diverse proteine utili a un determinato scopo. |
Parole | Istruzioni contenute in un esone per produrre una singola proteina che è composta da centinaia o migliaia di aminoacidi. |
Sillaba (che nel DNA è fatta da 3 lettere o basi) | Codone (o tripletta di basi): istruzioni per produrre un singolo aminoacido. |
Lettere dell’alfabeto per formare sillabe e parole | Basi (adenina, timina, citosina, guanina). Nel singolo filamento di DNA all’interno di una singola cellula si contano circa 3 miliardi di basi. |
Tabella 1 – Il modello enciclopedia/DNA.
VARIABILITÀ GENICA: DANNI, MUTAZIONI, POLIMORFISMI
Le cellule dell’organismo nascono e muoiono ogni giorno a miliardi. Prima che una nuova cellula nasca, il DNA della cellula madre viene replicato per essere trasmesso alla cellula figlia. Se il DNA della cellula madre ha subito un danno, la cellula stessa interrompe il ciclo cellulare e cerca di ripararlo. Se il tentativo di riparazione fallisce, la cellula cerca di suicidarsi prima di replicarsi per non trasferire il danno alla progenie. Se il tentativo di suicidio fallisce, il danno al DNA sarà trasmesso alla cellula figlia con la replicazione del DNA stesso. Il danno trasmesso costituisce una mutazione e potrà avere come conseguenza una patologia. I danni al DNA si verificano nei normali processi metabolici di vita di ogni cellula a un tasso che varia da mille a un milione di lesioni molecolari al giorno, per cellula!
Rispetto ai tre miliardi circa di paia di basi di cui il DNA umano è costituito parliamo di una percentuale molto bassa (circa lo 0,000165%), ma bisogna fare attenzione perché questa percentuale può salire a causa di fattori ambientali, come l’inquinamento chimico dell’aria, dell’acqua e del cibo, l’alimentazione scorretta, l’inattività fisica, le radiazioni, le cure mediche inappropriate, i traumi fisici, psichici ed emozionali, lo stress e via dicendo. Fortunatamente la cellula è provvista di meccanismi di riparazione del danno al DNA, ma sfortunatamente questi meccanismi hanno dei limiti, e se i fattori di danno ambientale superano le capacità di riparazione, le conseguenze possono essere molto gravi. Una singola lesione non riparata, se avviene in un gene critico per una determinata funzione, può determinare gravi patologie fino alla morte, come nel caso del tumore.
Le mutazioni, tuttavia, possono avvenire anche in caso di risposta fisiologica a un adattamento ambientale per conferire all’organismo maggiori possibilità di sopravvivenza. Se, per esempio, l’organismo dovesse trovarsi a vivere a lungo in ambienti troppo caldi, potrebbe subire una mutazione che modifichi in meglio le capacità di dispersione del calore e di abbassamento della temperatura corporea. Le mutazioni sono quindi a cavallo tra il rischio e l’opportunità.
Le malattie genetiche
Le malattie genetiche sono considerate malattie rare perché la loro prevalenza è inferiore a cinque casi su diecimila abitanti, ma il problema è che le malattie rare sono tantissime e a oggi, secondo l’OMS, sono circa settemila. Le classiche malattie genetiche si suddividono in:
- monogeniche o mendeliane e sono dovute alla mutazione di un singolo gene. Sono ereditate secondo modelli conosciuti come nel caso del nanismo o della fibrosi cistica;
- cromosomiche, quando originano da un’alterazione del numero o della struttura dei cromosomi (per esempio, la sindrome di Down);
- mitocondriali, quando originano dalla mutazione di geni localizzati nel DNA dei mitocondri.
Abbiamo poi le cosiddette “malattie multifattoriali” che, al contrario delle precedenti, sono estremamente diffuse. In queste malattie è presente una componente genetica che però non è sufficiente a scatenarle, in quanto esse sono attivate da importanti fattori ambientali. Queste malattie non seguono regole di trasmissibilità definite come nel caso delle malattie monogeniche, e non c’è un chiaro modello di ereditarietà. Si parla infatti di “suscettibilità genetica”, e chi eredita una mutazione non eredita la certezza di ammalarsi, ma solo il maggiore rischio di contrarre una malattia rispetto alla popolazione generale. Queste malattie multifattoriali sono determinate da mutazioni che riguardano piccolissime porzioni di geni chiamate “polimorfismi”.
In sostanza si tratta dei famosi SNPs (Single-Nucleotide Polymorphisms) o polimorfismi del singolo nucleotide, in cui il rischio patogenico in genere è molto basso (tranne alcune eccezioni) se si considerano singolarmente; ma essendo difetti genetici molto diffusi e localizzati in tutto il genoma, di fatto risultano essere molto insidiosi per la loro capacità di generare malattie complesse fortemente influenzate dallo stile di vita, dall’alimentazione, dalla sedentarietà e da molti altri fattori chimico-fisici, fra cui l’inquinamento atmosferico, elettromagnetico e radioattivo. Tra queste malattie rientrano patologie come i tumori, il diabete, le malattie cardiovascolari, l’obesità e le malattie degenerative dell’apparato locomotore e del sistema nervoso.
Si stanno vagliando anche gli effetti di tali mutazioni sul sistema immunitario e sulla sua intensità di reazione. Durante l’emergenza da Covid-19 è stato osservato che i soggetti sintomatici affetti da più patologie avevano un rischio di mortalità molto più elevato perché il sistema immunitario reagiva in maniera alterata/sproporzionata alla presenza del virus, generando uno stato iper-infiammatorio tale da causare fenomeni coagulativi del sangue (tromboembolie) fino alla morte dei pazienti più gravi. Le diverse patologie pregresse di cui erano affetti questi soggetti sono le tipiche patologie che sappiamo essere associate a SNPs.
Per l’insorgenza di tutte le malattie sopra citate, i fattori ambientali hanno un ruolo determinante tramite i meccanismi di natura epigenetica, di cui faremo un approfondimento nei prossimi paragrafi. Infatti, l’insufficiente attività fisica, l’alimentazione povera di fattori protettivi, l’esposizione a sostanze inquinanti, l’insufficiente esposizione alla luce solare e la riduzione delle ore e della qualità del sonno aumentano i rischi di generare nuovi polimorfismi, con conseguenti errori di trascrizione e di sintesi proteica.
I tempi di reazione della medicina alle nuove minacce alla salute purtroppo s...