un articolo di Genomica.net
Al via il progetto internazionale di ricerca per creare la AploMappa, la nuova mappa del genoma umano
La nuova mappa aiuterà ad identificare il ruolo dei geni nelle malattie comuni quali il diabete, le neoplasie e le malattie cardiovascolari ed a trovare nuove terapie più efficaci e meglio tollerate
5 marzo 2003
Da questi mese entra nella piena operatività il nuovo progetto sul genoma umano, che entro 3 anni disegnerà una nuova mappa del genoma umano.
Un consorzio internazionale di ricerca ha lanciato un progetto con capitali misti pubblici e privati del valore di circa 100 milioni. Denominato International HapMap Project, il nuovo progetto ha lo scopo di accelerare la scoperta dei geni correlati alla comparsa di malattie comuni quali l’asma, il cancro, il diabete e le malattie cardiovascolari.
Saranno necessari tre anni per completare la mappa degli aplotipi – AploMappa o HapMap - la nuova mappa che descriverà le variazioni genetiche all'interno del genoma umano.
Confrontando le differenze genetiche fra gli individui, gli esperti del consorzio ritengono di poter creare uno strumento per aiutare i ricercatori a identificare il ruolo dei fattori genetici nello sviluppo di molte malattie.
Il Progetto Genoma Umano ha descritto la mappa del genoma umano, comune a tutte le persone della nostra specie ed ha fornito la base sulla quale i ricercatori stanno facendo enormi progressi nella ricerca genetica. Il progetto della AploMappa al contrario cerca le differenze che esistono tra gli individui e che possono spiegare le differenze nel modo con il quale diverse persone si ammalano oppure rispondono in modo dverso alle cure.
“Il progetto HapMap permetterà di rendere molto più veloce in tutto il mondo la ricerca medica" sostiene Yusuke Nakamura, direttore del Centro di Genomica Umana dell'Università di Tokyo, responsabile del centro RIKEN SNP e del gruppo di ricerca giapponese che collabora al progetto HapMap. "Non soltanto consentirà di identificare i geni coinvolti nelle malattie, ma potrà aiutarci a comprendere quali siano i geni che influenzano la risposta delle persone ai diversi farmaci. Si tratta di scoperte che potranno migliorare la ricerca sui farmaci e condurre allo sviluppo di strumenti diagnostici in grado di consentire la prevenzione delle reazioni avverse ai farmaci".
Per disegnare la nuova mappa, i ricercatori recupereranno il DNA attraverso la raccolta di campioni di sangue in Nigeria, nel Giappone, in Cina e negli Stati Uniti. In un primo tempo, i ricercatori lavoreranno su un campione compreso tra 200 e 400 volontari distribuiti su una vasta area geografica in diverse regioni. I campioni saranno raccolti da persone che appartengono alla popolazione Yorubas in Nigeria, da giapponesi, cinesi Han e da residenti negli Stati Uniti con ascendenti provenienti dalle regioni dell’Europea del nord e dell’ovest.
Per garantire che i partecipanti siano in grado di dare il consenso informato con piena consapevolezza, e’ stata sviluppata una modalità di raccolta dei campioni particolarmente attenta alle implicazioni etiche e sociali.
Innanzitutto non sarà registrata alcuna informazione medica o personale in grado di identificare le persone che forniscono i campioni del proprio sangue per consentire l’analisi del DNA. I campioni saranno identificati solamente sulla base della popolazione da cui sono stati raccolti.
"Studi come questo devono essere condotti nel modo più etico e trasparente possibile" sostiene Ellen Wright Clayton dell' Università Vanderbilt, a capo del gruppo incaricato della gestione degli aspetti etici e sociali del progetto. "Per il progetto HapMap, abbiamo dedicato molti sforzi per garantire entrambi questi obiettivi e per realizzare quindi una ricerca scientifica in modo veramente responsabile."
I campioni di sangue dai quali verrà estratto il DNA saranno trattati e successivamente conservati al Coriell Institute for Medical Research di Camden, New Jersey, un centro di ricerca biomedico senza scopo di lucro specializzato nella conservazione di campioni biologici e nel renderli accessibili agli scienziati per ulteriori ricerche.
Saranno quindi i ricercatori appartenenti ad università, a gruppi di ricerca biomedica non profit e a società provate in Giappone, Regno Unito, Canada, Cina e Stati Uniti che analizzeranno i campioni del DNA cosi ottenuti per creare la HapMap, la nuova la AploMappa. I risultati saranno resi disponibili in modo rapido e gratuito su Internet con le stesse modalità usate per rilasciare i dati del progetto genoma umano.
Il finanziamento pubblico del progetto sarà garantito dal Ministero della Educazione, Cultura, Sport, Scienza e Tecnologia giapponese (MEXT), dal Genome Canada di Ottawa e dal Genome Quebec di Montreal, dalla Accademia Cinese delle Scienze, dal Ministero Cinese della Scienza e della Tecnologia e dalla Fondazione per le Scienze Naturali, tutte di Beijing e dai National Institutes of Health (NIH) a Bethesda, negli Stati Uniti. Lo SNP Consortium (TSC) di Deerfield, Illinois, coordinerà la gestione dei fondi privati, mentre il Wellcome Trust di Londra finanzierà la parte del progetto condotta nel Regno Unito
Identità genetica e variazioni interindividuali
L’ International HapMap Project prende le mosse dalla sequenza liberamente disponibile del genoma umano prodotta dall’ International Human Genome Sequencing Consortium.
Il Progetto Genoma Umano ha reso disponibile la sequenza del DNA umano ed ha anche rilevato che ogni persona presenta il 99,9 % di identità genetica rispetto ad una qualsiasi altra persona. Di conseguenza, le caratteristiche proprie di ciascun individuo sono dovute al restante 0,1 % di materiale ereditario che costituisce la variabilità interindividuale, dovuta a piccole variazioni nella sequenza del DNA. E’ questo 0,1 % di differenza che rende una persona più suscettibile di un’altra ad una determinata malattia – ad esempio, all’asma, all’infarto miocardico o al diabete.
Studiando le caratteristiche di queste differenze e di queste variazioni genetiche in un numero sufficientemente elevato di persone, i ricercatori dell’ International HapMap Project ritengono di poter identificare le differenze del patrimonio genetico correlate con la comparsa delle malattie.
"Scopo della ricerca sul genoma umano è sempre stata fornire un beneficio per tutto il genere umano. Questo progetto dovrebbe essere visto nella scia di questa grande tradizione" ha precisato Francis S. Collins, direttore del NHGRI, l’istituto dei National Institutes of Health (NIH) degli Stati Uniti che ha coordinato lo Human Genoma Project. "La AploMappa-HapMap fornirà un potente strumento per aiutarci ad entrare in una nuova dimensione per quanto riguarda la capacità di comprendere il contributo fondamentale dei geni alle malattie comuni come cancro, il diabete e le malattia mentali."
L’ informazione genetica è fisicamente lungo una molecola lineare denominata acido desossiribonucleico (DNA). Il DNA si compone di quattro sostanze chimiche, denominate basi, rappresentate dalle quattro lettere del codice genetico: A, T, C e G. Il Progetto Genoma Umano ha determinato la sequenza dei 3 miliardi di A, T, C e G che compongono il nostro genoma. Per il perfetto funzionamento del corpo la corretta sequenza delle quattro lettere genetiche è importante come la corretta sequenza delle lettere in una parola è importante per capirne il significato. Quando varia una lettera in una parola, il significato della parola può essere perso o alterato. Variazione in una sequenza di basi del DNA - anche una sola lettera genetica venga sostituita da un altra – possono in modo analogo cambiare il significato.
Sono più di 2,8 milioni gli esempi di queste sostituzioni delle lettere genetiche - denominati singoli polimorfismi di un nucleotide o SNPs - già noti e descritti in un database pubblico denominato dbSNP (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/SNP), gestito dal NIH. La fonte principale di questo catalogo pubblico di SNP e’ stato il lavoro fatto dal The SNP Consortium (TSC), una progetto di ricerca genomica condotto in collaborazione da parte di alcune tra le maggiori società farmaceutiche internazionali, dal Wellcome Trust e da alcuni centri universitari.
Si ritiene che il genoma umano contenga almeno 10 milioni di SNPs, circa uno ogni 300 basi. Teoricamente, i ricercatori potrebbero andare alla ricerca dei geni usando una mappa che elenca tutti i 10 milioni di SNPs, ma questa modalità operativa presenta una serie di svantaggi pratici rilevanti.
Recenti ricerche hanno dimostrato che il 65-85% del genoma umano è organizzato in blocchi contigui ed inscindibili di DNA di oltre 10.000 paia di basi. Ciascuno di questi blocchi può contenere 12 o più SNPs che tenderanno a rimanere vicini e quindi a trasmettersi insieme con il passare delle generazioni.
L’ AploMappa-HapMap ricercherà proprio questi pezzi nei quali il genoma è organizzato, ciascuno dei quali può contenere dozzine di SNPs. I ricercatori quindi dovranno trovare soltanto alcuni marcatori SNPs per identificare quel pezzo o blocco unico del genoma e per conoscere tutti gli SNPs associati a quell'unico pezzo. Varianti di SNP che si trovano tra loro contigui lungo la molecola del DNA formano un aplotipo e tendono ad essere ereditate insieme. Le varianti di SNP che sono tra loro lontane lungo la catena del DNA tendono ad essere in aplotipi diversi e possono essere ereditate insieme con minor probabilità.
Pertanto, per definire una mappa di queste variazioni, si deve immaginare il DNA umano non più come una serie di singoli punti (i nucleotidi del DNA), ma come una serie di blocchi ciascuno dei quali contenente fino a 10.000 nucleotidi e i vari SNP tra questi identificati. Il genoma umano e’ ereditato in segmento e non in punto, afferma Giuseppe Novelli, professore di Genetica all’Università romana di Tor Vergata, tra i maggiori esperti internazionali di ricerca genomica.
"In definitiva, l’AploMappa-HapMap è una scorciatoia molto efficace che consente di risparmiare una enorme quantità di tempo negli studi che interessano le malattie complesse" ha dichiarato David Bentley, Ph.D., del Wellcome Trust Sanger Institute del Regno Unito.
Si tratta in definitiva di determinare per ciascun aplotipo, i marcatori SNPs che lo identificano in modo inequivocabile. L’insieme di questi marcatori SNP dei diversi aplotipi costituirà la AploMappa – HapMap.
Dato che tutti gli esseri umani discendono da gruppo comune di antenati che vissero in Africa circa 100.000 anni fa, nella storia umana sono state relativamente poche le generazioni rispetto ad altre specie animali più vecchie. Di conseguenza, gli aplotipi umani sono rimasti in gran parte intatti e rappresentano un filo ininterrotto che collega tutti gli individui ad un comune passato e l'un l'altro.
Il modello esatto delle varianti di SNP all'interno di determinato aplotipo differisce fra gli individui. Alcune variazioni di SNP e modelli di aplotipo si trovano solo in alcuni individui di poche popolazioni. Tuttavia, la maggior parte delle popolazioni condividono varianti di SNP e modelli di aplotipo comuni , la maggior parte dei quali sono stati ereditati da antenati comuni. Le frequenze di questi varianti di SNP e di questi modelli di aplotipo possono essere simili o differenti fra le diverse popolazioni. Per esempio, il gene che controlla i gruppi ematici presenta in tutte le popolazioni umane una variabilità, ma alcune popolazioni hanno più alte frequenze di un gruppo ematico, ad esempio il gruppo 0, mentre altre hanno frequenze maggiori per un altro, ad esempio per il gruppo AB. E’ questo il motivo per cui il consorzio di ricerca HapMap deve ottenere campioni da poche popolazioni geograficamente separate per trovare le varianti di SNP che sono comuni in ogni popolazione.
Charles Rotimi, Ph.D., responsabile del gruppo di ricerca dell'università di Haward che raccoglie i campioni di sangue in Nigeria, sottolinea che "dobbiamo essere compresi nelle popolazioni che studiamo per aumentare la probabilità che tutta la gente alla fine trarrà giovamento da questo sforzo internazionale di ricerca."
A motivo della disposizione a blocchi degli aplotipi, basterà identificare solo alcune varianti di SNP in ogni blocco per contrassegnare in modo univoco quell’ aplotipo. Di conseguenza, i ricercatori dovranno studiare soltanto 300.000 - 600.000 marcatori SNPs sui 10.000.000 di SNPs esistenti per identificare in modo preciso gli aplotipi del genoma umano. Sono gli aplotipi ed i marcatori SNPs che li identificano, che formeranno la nuova mappa del genoma, la
AploMappa-HapMap.
Aplotipi, salute e malattie
Fino ad oggi, la maggior parte delle variazioni genetiche note come causa di malattia riguardano malattie relativamente rare, come la malattia del Huntington e la fibrosi cistica. Queste malattie sono causate dalla variazione di un singolo gene che tende ad avere un rilevante effetto sulla salute, rendendo il contributo genetico alla malattia relativamente facile da identificare usando i metodi correnti basati sulla raccolta delle informazioni della famiglia mediante alberi genealogici.
I ricercatori affrontano ora una sfida molto più impegnativa in quanto l’obiettivo e’ scoprire i fattori genetici che contribuiscono alle malattie più comuni, quali la malattia del Alzheimer, l’asma o l’infarto del miocardio, nelle quali sono interessate diverse variazioni genetiche che singolarmente danno un contributo relativamente debole alla comparsa della malattia, ma che combinate insieme possono aumentare in modo rilevante il rischio di malattia. Fattori ambientali ed altri fattori non genetici contribuiscono inoltre al processo di malattia, rendendo ancora più difficile identificare i fattori genetici responsabili di malattia.
I ricercatori del consorzio HapMap sottolineano che l’HapMap non intende minimizzare il ruolo dei fattori ambientali nella patogenesi delle malattie. "In realtà, lo studio dei fattori genetici puo’ aumentare enormemente la nostra capacità di comprendere il contributo dell’ambiente alle malattie” precisa Thomas Hudson, responsabile del gruppo di ricerca HapMap alla McGill University in Canada.
Una volta costruita la HapMap, i ricercatori di tutto il mondo potranno utilizzarla per studiare i fattori genetici che determinano il rischio per un grande numero di malattie e di condizioni predisponenti. Per ogni singola malattia, i ricercatori potranno usare i marcatori SNP della HapMap per confrontare il modello di aplotipo di un gruppo di persone che presentano una malattia con quello di un gruppo di persone senza la malattia, un metodo noto come studio di associazione. Se lo studio di associazione trova che un determinato aplotipo presenta una frequenza molto maggiore nelle persone con la malattia rispetto alle persone senza malattia, i ricercatori potranno concentrare la loro successiva ricerca di una specifica variazione genetica su quella specifica regione genomica. Il marcatore SNPs verrebbe utilizzato come marcatore di una variazione genetica coinvolta nella malattia probabilmente localizzata nelle sue vicinanze.
"Anche se abbiamo la sequenza dell’intero genoma umano a disposizione, collegare piccole variazioni del genoma a variazioni nello stato di salute e’ un lavoro noioso" sottolinea Huanming Yang, direttore del Beijing Genomics Institute e coordinatore del China HapMap Consortium. "Il progetto HapMap produrrà un potente strumento per collegare le differenze del genoma alle differenze dello stato di salute, compreso l’aumento del rischio per le malattie comuni."
La mappatura degli aplotipi di un singolo paziente potrà essere usato in futuro anche per consentire di personalizzare la terapia sulla base del patrimonio genetico. E’ stato dimostrato che variazioni del patrimonio genetico possono influenzare la risposta di un paziente ai farmaci, alle sostanze tossiche e ad altri fattori ambientali. Alcuni già intravedono una era nella quale il trattamento farmacologico sarà personalizzato sulla base degli aplotipi del paziente, per garantire la massima efficacia del farmaco ed allo stesso tempo limitare al minimo gli effetti collaterali.
La HapMap potrà inoltre consentire di identificate eventuali variazioni genetiche che possono contribuire allo stato di buona salute, come quelle che proteggono dalle malattie infettive o che predispongono alla longevità.
Condurre a termine un progetto così complesso dipende dalla applicazione di tecnologie avanzate per analizzare le variazioni individuali degli SNP. Queste tecnologie devono garantire una alta portata ed una elevata qualità ad un basso costo. Gruppi di ricerca diversi utilizzeranno differenti tecnologie, garantendo in tal modo alla comunità scientifica la possibilità di testare quale approccio lavori meglio. Questa metodo di lavoro riuscirà probabilmente ad accelerare lo sviluppo del processo tecnologico in modo tale che quando la AploMappa-HapMap sarà disponibile, i mezzi per utilizzarla saranno molto più sviluppati.
In aggiunta al suo approccio pionieristico nei confronti dello sviluppo della HapMap e delle tecnologie correlate, il consorzio internazionale proseguirà nella strategia di far lavorare insieme un numero elevato di partner pubblici e privati di tutto il mondo, sia per condurre la ricerca che per finanziarla.
Il presidente del The SNP Consortium, Arthur Holden ha dichiarato che "Siamo molto soddisfatti per la possibilità di collaborare in questa impresa alla gestione degli aspetti informatici del progetto HapMap. Siamo convinti che lo sviluppo della AploMappa- HapMap sarà uno strumento di grande utilità sia per la ricerca sulle malattie che per la ricerca farmacogenomica".
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