dall'analisi del gene allo studio globale dei geni

microchip genomici

l'opinione di Giuseppe Novelli

Dipartimento di Biopatologia e Diagnostica per Immagini - Università di Roma Tor Vergata

Durante gli ultimi dieci anni, la quantità di informazione genetica sui diversi organismi, è raddoppiata in media ogni 13 mesi. Si stima che per la fine del 2001, saranno disponibili nelle banche dati private e pubbliche, frammenti di genoma umano per un totale di circa venti miliardi di basi, corrispondenti ad un fattore da 10 di copertura del genoma e la deposizione di almeno 300.000 nuovi geni, identificati soprattutto, da microrganismi, dei quali non era nota l'esistenza e nemmeno ipotizzabile la funzione. Molti di questi geni codificano infatti proteine attive in vie metaboliche sconosciute. 

La completa sequenza del genoma umano, arricchirà notevolmente le banche dati genomiche che contengono ad oggi il genoma di cento diversi altri organismi, dal più piccolo, quello del mycoplasma genitalium, al più esteso tra quelli completati finora, quello della Homo sapiens sapiens. 

Questa enorme quantità di informazione genomica, sarà peraltro integrata con l'informazione derivante da circa 30.000 "markers" prodotti dal consorzio pubblico-privato, cioè single nucleotide polymorphisms (SNPs), variazioni di singole basi del DNA, che consentiranno di studiare a livello molecolare le differenze individuale tra individui e sviluppare profili genetici caratteristici per ogni persona o gruppi di persone. 

E' evidente pertanto che una tale ricchezza di informazione comporterà necessariamente lo sviluppo di strumenti e di tecnologie di analisi in grado di gestire in modo simultaneo una sì tale ricchezza di informazioni. Queste tecnologie sono comunemente oggi indicate come sistemi di analisi globale, e riguardano:

• strumenti bioinformatici: Metodologie e software per l'acquisizione, la gestione, l'organizzazione, e la disseminazione dei dati biologici.

• strumenti analitici: Microarray e microchip per lo studio simultaneo di migliaia e/o centinaia di migliaia di geni.

La tecnologia del "chip genomico o del gene chip" è stata sviluppata soltanto a partire dal 1995, ma ha già permesso di raggiungere obiettivi ritenuti impensabili fino a pochi anni fa. In pratica, con questo termine si intende un supporto solido (in genere silicio, plastica o vetro) sul quale vengono immobilizzate diverse centinaia o migliaia di molecole organiche di varia natura (spesso oligonucleotidi di DNA o RNA complementare) definite sonde (Figura). 

Queste vengono a loro volta riconosciute attraverso la più classica delle proprietà degli acidi nucleici: la ibridizzazione selettiva (complementarità tra sequenze di DNA/DNA, DNA/RNA, RNA/RNA), in maniera tecnologicamente avanzata attraverso la miniaturizzazione e la cibernetica. Pensate che è possibile fissare su un supporto di appena 1 cm per lato, qualcosa come 400.000 molecole diverse corrispondenti a sequenze virali, batteriche, o umane contenenti mutazioni o polimorfismi (variazioni). 

Poiché la composizione delle molecole fissate al supporto è nota, ne deriva che il rilevamento mediante fluorescenza del segnale di avvenuta ibridizzazione indicherà una caratteristica peculiare del campione in esame. L'analisi simultanea di migliaia di segnali di ibridizzazione permette la costruzione del profilo genetico dell'individuo, ossia di definire quelle caratteristiche genetiche che contraddistinguono ciascuno essere vivente. Se ad esempio, un qualunque campione di DNA, (ad esempio quello recuperato da una goccia di sangue, oppure da un capello, o da un tessuto tumorale) opportunamente marcato con sostane fluorescenti, è posto su un chip genomico contenente migliaia di geni diversi, soltanto quelli complementari, si uniranno a produrre un segnale specifico che è catturato da un laser e trasmesso a sua volta ad un computer per l'elaborazione. 

In tal modo è possibile identificare pazienti portatori di mutazioni a carico di uno o più geni contemporaneamente oppure osservare quali e quanti geni a potenziale attività oncogena sono attivi nelle cellule tumorali di un paziente rispetto ad un altro, o al tessuto normale. Analogamente è possibile identificare la presenza di genomi virali diversi contemporaneamente (ad esempio tipi differenti di epatite C), o sequenze di batteri diversi, oppure esaminare lo "stato di salute" di tutti i 6200 geni del lievito o tutti i geni del batterio della tubercolosi!

Il profilo genomico di un chip

La definizione del profilo genomico di un individuo richiede spesso l'analisi simultanea di molti geni e lo studio della loro attività in modo parallelo. Ad esempio, nell'uomo numerosi geni possono avere decine o centinaia di mutazioni diverse responsabili della stessa malattia (eterogeneità allelica). La diagnosi di una malattia genetica o neoplastica richiede perciò molto spesso la caratterizzazione di mutazioni diverse da individuo a individuo (ad esempi, talassemia, fibrosi cistica, distrofia muscolare di Duchenne, tumore della mammella, leucemie linfoblastiche acute del bambino). Lo studio di queste mutazioni in parallelo sottolinea proprio la capacità di fornire informazioni su numerose alterazioni o stato di attività di geni nel medesimo istante. Sarà possibile, ad esempio, caratterizzare tutte le 900 mutazioni responsabili della fibrosi cistica attraverso un unico esame.

La tecnologia del chip genomico viene anche utilizzata per studiare l'espressione ovvero il funzionamento dei geni attraverso la loro trascrizione (produzione di RNAs) e/o produzione di proteine (Tabella 1). 

Tabella 1. La Tecnologia Chip in uso

Se cellule in coltura vengono indotte ad andare incontro al processo di quiescienza per 48 ore (privandole ad esempio del siero), e successivamente stimolate con l'aggiunta di siero, è possibile osservare mediante microchip la straordinaria e coordinata espressione di almeno 8.600 geni che partecipano a questo processo biologico. E' stato così possibile stabilire che al "risveglio" partecipano anche geni attivi in altre vie metaboliche e non ritenuti fino ad ora coinvolti in questi aspetti. Analogamente è stato di recente possibile stabilire che nell'invecchiamento a livello molecolare sono attivi geni propri della divisione cellulare e della struttura della matrice extracellulare, concludendo che il processo dell'invecchiamento riguarda soprattutto errori del processo mitotico che comporta successive anomalie nei cromosomi e quindi di diversi processi cellulari e metabolici.

Ma senza dubbio i migliori risultati ad oggi con la tecnologia dei chip genomici, riguardano lo studio dei tumori come i linfomi. La fabbricazione di un "linfochip", cioè un chip contenente 18.000 geni diversi espressi nei linfociti, ha permesso di classificare in modo completamente nuovo il linfoma diffuso tipo B a grandi cellule, evidenziando all0'interno del suo gruppo delle forme differenti a livello molecolare che si presentano con un differente decorso clinico e una diversa risposta alla terapia.

E' certo che nel prossimo decennio la tecnologia del chip genomico troverà applicazioni in tutti i settori della diagnostica di laboratorio (ricerca di mutazioni, studio dell'espressione dei geni, analisi medico-legali, ricerca di genomi virali o batterici). E' stato stimato che sarà possibile disporre di 50 microchip per contenere tutti i geni umani ed effettuare una analisi globale dello stato di attività in una cellula, in un tessuto, in un organo. E' evidente che dobbiamo preparaci a questo rivoluzionario strumento di laboratorio con la formazione di personale preparato e in grado di utilizzare al meglio queste tecnologia nell'interesse del malato e dei suoi familiari.

Per saperne di più:

• http://www.microarrays.org 

• http://cmmmmgm.stanford.edu/pbrown/mguide 

• http://www.asper.ee 

• http://affymetrix.com 

• http://www.ebi.ac.uk/microarray/ 

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questa pagina e' stata aggiornata giovedì 05 gennaio 2006
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