lente di barlow

You are currently browsing the archive for the lente di barlow category.

L’etica della biodiversità

17 dicembre 2010 in lente di barlow by Alice | 3 comments

E’ un onore per il nostro blog partecipare alla grande iniziativa che è il Carnevale della Biodiversità. Questo post infatti compare nell’ambito del tema Infinite forme bellissime. Gli altri post dei numerosi blog che partecipano a questa interessante iniziativa possono essere trovati qui.

Preservare la biodiversità dalla sua drammatica riduzione, legata per la maggior parte all’impatto antropico, è un tema molto trattato. Tuttavia spesso ciò si verifica ponendosi nell’idea di fare ciò a scopo utilitaristico con il proposito di preservare per poi sfruttare, seppur in modo cauto e rispettoso. Quest’idea di agire a riguardo della biodiversità andrebbe cambiata poiché nulla ha di diverso rispetto a quanto avviene ora e soprattutto perché basata, sovente, su di un oramai fuori luogo concetto di antropocentrismo naturale.

di M. Affini – BottigliediLeida.net

L’emorragia di biodiversità che è in corso sul pianeta dagli ultimi 50 anni è senza dubbio un processo drammatico innescato sia direttamente che indirettamente dallo sviluppo umano. Attraverso il consumo esagerato di diversi tipi di risorse, dalle materie prime come il legname delle grandi foreste tropicali allo sfruttamento delle risorse ittiche, la grande varietà di forme vegetali e animali, sviluppatesi in migliaia, se non in alcuni casi, milioni di anni di evoluzione sta riducendosi a vista d’occhio tanto da allarmare molti ricercatori fino a diventare un tema caldo trattato spesso sia da giornali che da programmi televisi.

Alla radice del problema sta un evento molto conosciuto da chiunque abbia studiato un po’ di ecologia e/o biologia: l’ingresso di una specie esotica in un habitat a lei nuovo. In questo caso la specie esotica è la più nota: Homo sapiens.

Fin da quando almeno 500 mila anni fa questa specie si sviluppò in Africa cominciando poi, lentamente ma anche progressivamente, a invadere il resto delle terre emerse, si sono avute forti ripercussioni ecologiche legate al suo passaggio. Uno degli esempi più chiari è l’estinzione della megafauna americana.

Non so se vi è mai capitato di pensarci ma vi siete mai chiesti perché in tutte le Americhe non vi sia un singolo animale della taglia di un rinoceronte, di un elefante o d’una giraffa? Eppure le Americhe sono un continente, oppure due, qui dipende molto dai punti di vista, enorme con una grande varietà di paesaggi ed ecosistemi quindi un luogo ideale per permettere lo sviluppo di una vasta gamma di forme di vita tra cui anche animali molto grandi. Perché in Africa sì e in America no?

La causa è da ricercarsi molto probabilmente proprio nell’ingresso di una specie africana completamente nuova e vorace che, con la sua comparsa nel continente ha cambiato gli equilibri e il futuro di quella enorme massa di terra emersa: l’uomo.

Entrato nel continente americano a seguito di un lento processo di migrazione avvenuto attraverso lo stretto di Bering, estremità orientale della Siberia, durante un periodo in cui il livello dei mari era più basso di ora e quindi portava alla creazione di un ponte di terra che univa l’Asia alle Americhe, in qualche migliaio di anni si diffuse in tutto il continente arrivando sino alla Terra del Fuoco, estremità meridionale dell’america del Sud. Durante questa lunga avventura gli uomini del tempo, che avevano un bagaglio di esperienze sia nella caccia che nella raccolta maturato in migliaia di anni di pratica tra l’Africa e l’Asia, si dedicarono chiaramente a reperire cibo e risorse che in quella terra completamente nuova e inesplorata certo non mancavano. Per di più alcune di queste risorse, gli animali di taglia maggiore del periodo, animali come i mammuth, erano davvero facili da catturare visto che non erano abituati ad essere cacciati come l’uomo faceva. In pratica, in un paio di migliaia di anni la megafauna nord americana era scomparsa per sempre dalla faccia della Terra. E questo è solo il primo esempio di un processo che dura da centinaia di migliaia di anni. Si noti come l’evento si sia ripetuto in modo pressoché analogo con il bisonte americano durante l’invasione del west da parte dei coloni europei e del loro uso delle armi da fuoco.

Il problema della perdita della biodiversità è quindi collegato all’esistenza e alla diffusione del genere umano sul pianeta proprio come nel suo piccolo una specie esotica fa in un ambiente nuovo. La specie esotica introdotta in un ambiente a lei favorevole ha un periodo iniziale di boom demografico per poi decrescere a causa, ad esempio, dell’azione di parassiti cui la fauna originale era adattata. Per l’uomo ciò non è più valido a causa dell’avvento della medicina e dei vaccini. In aggiunta a ciò poi c’è un ulteriore aggravante che porta l’animale uomo ad esser così invasivo – distruttivo sulla biodiversità: la capacità di agire sull’ambiente modificandolo a suo piacimento ed in modo pressoché permanente.

Qui si entra in un discorso ancora più complesso e approfondito ma che trova alla base il punto centrale di tutta la faccenda “perdita della biodiversità”, cioé l’antropocentrismo orientato al mondo naturale in pratica l’idea che noi, essendo uomini e quindi massimo esempio di evoluzione biologica, abbiamo il diritto di poter piegare la natura al nostro volere e giudizio.

Quando si parla di perdita della biodiversità la mente vola alla deforestazione, ma è sufficiente guardare l’interno di un frigo o un allevamento di animali per vedere lo stesso fenomeno verificarsi anche se in modo meno “cruento”.

Uno dei grossi problemi che coinvolgono la relazione uomo-natura è la produzione di cibo. Mediante l’agricoltura, nata in modo indipendente in diverse parti del mondo a partire da 10 mila anni fa, l’uomo incominciò a risolvere parzialmente il problema cibo assicurandosi una piccola riserva più o meno costante di alimenti con cui integrare la propria dieta. Da questo punto molti ritengono che si possa collocare l’origine della civiltà come noi la intendiamo e sempre da qui, probabilmente ha preso il via il processo di perdita della biodiversità in modo sistematico. Agendo dapprima come un selezionatore casuale poi, via via perfezionandosi sempre più, l’uomo ha cominciato ad agire su diverse specie di organismi vegetali e animali plasmandole a sua utilità. Agendo in questo modo l’uomo ha ottenuto senza dubbio una sequenza di risultati davvero favorevoli per sé. Animali più grandi, che producevano di più, frutta e verdura sempre più grosse e nutrienti gli hanno permesso di vivere più a lungo, dotarsi di strumenti sempre migliori e commerciare con i vicini. Tutto questo però a scapito della variabilità genetica e della biodiversità secondo un processo di convergenza il cui fine ultimo era l’utilita-inutilità di un determinato carattere prima, specie dopo.

Riducendo la variabilità genetica delle specie ad uso, come possono ad esempio essere i bovini, l’uomo si è perciò comportato da fattore selettivo provocando così la perdita di un’ampia fetta di caratteri genetici e indebolendo le specie su cui andava ad agire e che ora pagano questa forte selezione trovandosi ad essere più fragili e deboli della norma. Esempio principe di questo fenomeno sono le razze canine.

In 10 mila anni di selezione nata, si pensa, a partire dal lupo, gli allevatori hanno creato un’enorme varietà di razze, di varianti della stessa specie con caratteristiche estetiche talmente diverse l’una dall’altra da lasciare abbastanza sorpresi. E’ sufficiente pensare al bassotto, al chihuhua e all’alano, tre esponenti completamente diversi della stessa specie e che ora pagano lo scotto della “purezza” del loro patrimonio genetico visto che il primo è soggetto a problemi vertebrali causa l’innaturale curvatura cui la schiena va incontro a seguito dell’abnorme lunghezza del corpo; il secondo invece ha problemi di termoregolazione causa le troppo ridotte dimensioni corporee; mentre il terzo soffre già in giovane età di pesanti problemi articolari. Se poi si metton a confronto queste tre razze canine con alcuni canidi come lo sciacallo, il lupo o il coyote, è chiaro come si siano messe le cose.

La cosa però non riguarda solo l’ambito animale ma anche quello vegetale dove si è andata riducendo drasticamente la varietà di piante utilizzate a scopo alimentare.

5000 mila anni fa i circa 5 milioni di individui che abitavano la Terra, più di 100 volte meno di quanti ora siamo, si nutrivano utilizzando 5000 piante diverse; oggi circa 6 miliardi d’individui utilizzano meno di 150 piante, di cui 9 sono responsabili del 75% dell’alimentazione.

Il problema della selezione genetica su base di utilità o inutilità ha poi un’altra pesante ricaduta, quella della salvaguardia. E’ cosa abbastanza comune sentire dire che è importante proteggere la biodiversità perché delle migliaia di animali e piante che ancora non conosciamo ce ne potrebbero essere alcuni che potrebbero dare all’uomo sostanze veramente utili. Quindi la foresta tropicale, i fondali marini, i deserti, diventano una sorta di assicurazione sulla vita. Se non si distruggono le specie che li abitano in futuro le si potrà sfruttare favorevolmente quando verrà il momento o, molto più semplicemente, quando saranno scoperte. In pratica il concetto cambia di nome ma non di sostanza: proteggo perché in futuro mi sarà utile. Questo però non fa altro che legittimare ulteriormente la perdita della biodiversità, quantomeno a livello etico, perché non è altro che il ripetersi di quanto fatto da sempre dall’uomo. In aggiunta poi questo crea un secondo problema, cosa fare delle specie non utili?

La biodiversità ha senza dubbio un significato maggiore della semplice applicazione delle biotecnologie animali e vegetali. E’ la storia vivente del pianeta a partire dall’ultima glaciazione. Una storia fatta di una processo di selezione continuo, costante e spietato, orientato a far sopravvivere il più forte secondo canoni realmente utili. Perdere biodiversità, eliminare o tutelare la forme di vita in base alla lora utilità per noi è come riassumere un grosso romanzo privilegiando solo le parti che ci hanno interessato di più a scapito delle altre. Il romanzo perderà così di senso e significato ed il suo potenziale sarà sminuito fino a diventare una debole versione impoverita dell’originale.

Il concetto di salvaguardia della biodiversità dev’essere perciò un’applicazione pratica di un’idea ancora più grande e che come protagonista ha l’uomo, quella dello sviluppo sostenibile. Solo in questo modo preservare gli ambienti e chi li abita dalla distruzione indiscriminata avrà senso perché altrimenti non sarà altro che riempirsi nuovamente la bocca di tante e belle parole per poi però, nel profondo, portare avanti lo stesso concetto di un tempo cioé che tutto il creato esista solo per essere utile all’uomo. Nulla di più assurdo dato che l’uomo stesso è parte di questo mondo e nulla ha di più o di meno di qualunque altra specie esistente soprattutto riguardo al diritto di esistere.

Tags: , , , ,

Retrovirus

20 novembre 2010 in lente di barlow by Manuel | 3 comments

Ho deciso di dedicare questo post ad una famiglia di virus molto importanti: i Retroviridae. Preparatevi perchè sarà un bel mattone!
Perchè così tanto interesse per dei virus? Innanzitutto perchè lo studio dei virus spesso ha aiutato a comprendere alcuni importanti meccansimi molecolari, come lo splicing, la retrotrascrizione, l’oncogenesi e molto altro. Poi perchè alcuni virus sono responsabili di importanti patologie e quindi è bene che si studino per cercare di trovare delle possibili cure. At last but not the least perchè i virus possono essere usati come vettori in biologia. Ma ogni cosa a suo tempo.
Iniziamo con una descrizione generale di un Virus. Un virus è un agente infettivo che parassita le cellule. Ogni organismo vivente, dai batteri ai protozoi, dalle piante agli animali, ha i suoi propri virus. Ci sono virus specie-specifici, ovvero che infettano soltanto una singola specie e virus che hanno una minore specificità. Una volta infettata la cellula, ne utilizzano i meccanismi e le risorse per produrre quante più copie di loro stessi è possibile. Questo è, diciamo, quello che maggiormente si sa dei virus. Sono entità che è difficile classificare come organismi viventi veri e propri, ma a conti fatti lo sono. Esistono probabilmente da quando esistono le cellule, e si sono evoluti assieme agli ospiti che infettano. Nonostante vengano associati a malattie infettive mortali, il numero di virus effettivamente patogeni e pericolosi è relativamente basso. In particolare si è osservato che i virus più pericolosi sono in genere quelli che si sono evoluti più  recentemente per cui non abbiamo ancora imparato a contrastarli efficacemente. Se prendiamo invece i virus dell’influenza, a parte i casi di pandemie come quella della spagnola, difficilmente ce ne dobbiamo preoccupare, perchè coesistono con noi da centinaia di migliaia se non milioni di anni.
Solitamente sono delle particelle, di poche decine di nanometri di diametro, costituite da un involucro proteico (Capside) al cui interno è contenuto il genoma (DNA o RNA, a singola o a doppia elica). Il capside può essere a sua volta rivestito da un envelope, una membrana fosfolipidica di origine cellulare, all’interno della quale sono inserite delle glicoproteine virali.
La struttura del capside è dovuta al tipo di interazioni che le proteine che lo costituiscono hanno tra di loro. E’ stato osservato che o si presentano con struttura elicoidale oppure icosaedrica o mista.
Una volta terminato il ciclo vitale, le particelle virali (virioni) devono uscire dalla cellula ospite, e nel far questo o la lisano provocandone la morte, oppure semplicemente gemmano portandosi dietro frammenti di membrana plasmatica contenenti delle proteine virali. Queste proteine sono fondamentali al virus perchè sono il mezzo con cui il virus riconosce le cellule e le infetta, o attraverso “l’iniezione” del contenuto del capside all’interno del citoplasma o attraverso l’assorbimento dell’intero virione.
Retroviridae. A questa famiglia appartengono, appunto, tutti i retrovirus. Cos’hanno di particolare i retrovirus? Non tanto che hanno il genoma di RNA, quanto al fatto che questo genoma è presente all’interno della particella virale in doppia copia, si tratta quindi di un genoma diploide. Inoltre, questo genoma nonostante sia RNA non viene tradotto direttamente in proteine (come succede per altri virus a RNA), ma viene retro-trascritto in DNA a doppio filamento da una proteina interessantissima, la Trascrittasi Inversa o Retrotrascrittasi (RT), il DNA viene trasportato nel nucleo della cellula (Alcuni retrovirus non sono in grado di attraversare la membrana nucleare, quindi aspettano che la cellula si divida e che la membrana nucleare si dissolva) e viene integrato nel DNA dell’ospite, in posizioni casuali, ad opera di un enzima virale, l’integrasi che, assieme alla RT, è già presente assieme all’RNA genomico nel capside. Il DNA virale integrato (provirus) viene trascritto dalla RNApolimerasi della cellula ospite e vengono prodotti: RNA messaggeri che verranno maturati e tradotti in proteine, e RNA dell’intera lunghezza del genoma virale che costituirà poi il materiale genetico che verrà poi incluso nella particella virale in costruzione.
E’ un ciclo replicativo estremamente interessante ed estremamente complesso da studiare nel dettaglio (quindi lo risparmio, a meno che qualcuno non volesse approfondire l’argomento). Mi limiterò a parlare dei retrovirus in generale.
I retrovirus sono stati importantissimi per diversi motivi: il primo è che sono stati coloro che hanno abbattuto il dogma centrale della biologia molecolare, che prevedeva che l’informazione passasse invariabilmente da DNA a RNA e mai viceversa; hanno permesso la caratterizzazione di questo enzima fenomenale, che è la trascrittasi inversa, utilissima in laboratorio; grazie a loro sono stati scoperti i cosiddetti oncogeni (di cui ho parlato a bizzeffe, ma  che non mi stancherò mai di spiegare!!). Un dato interessante è che circa l’1% del nostro genoma è di origine retrovirale, e non è poco! Questo dimostra che i retrovirus ci accompagnano da molto, molto tempo.
Parliamo della trascrittasi inversa. Questo enzima è stato scoperto negli anni settanta da Baltimore e e Temin. E’ una proteina con diverse funzioni. E’ una DNA polimerasi RNA dipendente, una DNA polimerasi DNA dipendente e una ribonucleasi H (ovverossia digerisce l’RNA quando è accoppiato con DNA). Tanta roba, insomma. La RT inizia la sintesi di DNA usando come stampo l’RNA virale ed usando come primer (come innesco) un RNA transfer proveniente dalla cellula ospite che si lega all’RNA virale vicino alla sua estremità 5′ (Gli acidi nucleici hanno un’estremità 5′, cinque primo, ed un’estremità 3′, tre primo, e vengono sempre sintetizzati in direzione 5′-3′ a  partire da un primer, ovvero una sequenza di DNA o RNA che serve da innesco). Partendo da questo primer, la RT sintetizza il DNA, fino all’estremità 5′ dell’RNA virale, e qui si ferma perchè non c’è più nessuno stampo. Come ho detto prima, la RT ha anche una funzione di ribonucleasi H (ovverossia digerisce l’RNA quando è accoppiato con DNA), e questa è proprio la situazione a cui siamo di fronte, abbiamo del DNA appena sintetizzato ibridizzato con l’RNA virale. L’RNA viene degradato (non tutto, ma solo la zona ibridizzata col DNA) lasciando un filamento sporgente di DNA che si andrà ad accoppiare con l’estremità 3′ o della stessa identica molecola di RNA, oppure della sua compagna (i retrovirus hanno due copie di RNA identiche). Questo permette alla RT di continuare la sinetsi di DNA usando come primer il DNA sintetizzato all’inizio. Sintetizzato il primo filamento di DNA, l’RNA viene giustamente degradato, e deve essere sintetizzato il filamento complementare. In questo caso, i primer utilizzati sono dei primer di RNA che non sono stati completamente degradati dalla RT e che permettono il completamento del secondo filamento di DNA. Affascinante quanto complesso. Il DNA appena sintetizzato viene poi integrato nel DNA della cellula ospite.
Durante tutto questo tempo, la RT è diventata patrimonio di moltissimi laboratori di biologia molecolare e non solo. Viene utilizzata, ad esempio, per trasformare gli RNA messaggeri cellulari in DNA (cDNA) e poi su questi cDNA si possono eseguire delle PCR per quantificarli, clonarli, sequenziarli.. in questo modo si sono compresi molti processi regolativi. Attualmente ci sono dei sequenziatori automatici che sono in grado di sequenziare tutti gli RNA messaggeri cellulari presenti in un dato momento dopo averli retrotrascritti in cDNA. In questo modo si studia l’espressione genica cellulare nel tempo. Insomma, una serie di applicazioni estremamente affascinanti.
La RT inoltre non è a prova di errore, anzi! Si stima che in vivo il suo tasso di mutazione sia una ogni centomila nucleotidi. Che non è poco! Questa è la causa principale dell’evoluzione continua di questi virus.
I retrovirus sono stati anche il mezzo attraverso il quale sono stati scoperti gli oncogeni. Si stima che una buona fetta di tumori siano associabili a delle pregresse infezioni virali. Virus come quello del papilloma, quello dell’epatite B e C, il virus di Epstein-Barr (nessuno di questi è un retrovirus) sono associati rispettivamente al tumore del collo dell’utero, epatocarcinomi e Linfoma di Burkitt. Ci sono diversi modi con cui un virus può generare tumori.  Ad esempio, il virus del papilloma è cancerogeno perchè durante il suo ciclo virale produce due proteine (E6 ed E7) che inibiscono le proteine cellulari Rb e p53 (di cui ho parlato nel post: P53, il guardiano del genoma) sono due potenti oncosoppressori. Come sappiamo, se un oncosoppressore viene inibito si facilita lo sviluppo del cancro. Il virus di Epstein-Barr invece integra il suo genoma all’interno dei linfociti B dell’ospite. Se la cellula non viene lisata e se il genoma virale si è integrato in zone critiche (per esempio all’interno di un oncosoppressore, rendendolo inattivo, oppure nei pressi di un oncogene alterandone l’espressione) allora quel linfocita B può trasformarsi e diventare una cellula tumorale (anche perchè EBV produce alcune proteine, come LMP in grado di immortalizzare le cellule). Altrimenti, alcuni Virus (retrovirus) (per fortuna non ne sono ancora stati documentati sull’uomo) che vengono detti virus trasformanti acuti, portano nel loro genoma un gene estraneo, di origine cellulare, che è stato inglobato per sbaglio chissà quando durante l’evoluzione. Se questo gene è un oncogene abbiamo un’alta possibilità che la cellula infettata si trasformi. E’ questo il caso del cosiddetto Virus del sarcoma di Rous, scoperto all’inizio del ’900 da un medico americano, Rous appunto, che studiava il modo in cui un tumore del pollo si estendeva tra esemplare ad esemplare in maniera “infettiva”. Soltanto negli anni settanta si scoprì che questo virus era un retrovirus e che era così oncogeno perchè portava nel suo genoma una sequenza estranea che codificava per una proteina che è stata chiamata SRC (si pronuncia sarc, da sarcoma di Rous, appunto). SRC, che è stato il primo oncogene ad essere così scoperto,  non è una sequenza virale ma è derivata da un gene presente in moltissimi organismi, uomo compreso, ed è fondamentale nella sopravvivenza della cellula.  Come ho detto, questa sequenza deve essere stata inglobata per errore e nel tempo la forma virale (v-src) ha accumulato mutazioni su mutazioni (non sono sottoposte a selezione naturale) e che hanno reso costantemente attivata la proteina, funzionando quindi come oncogene attivato.  Con SRC si è aperto tutto un mondo all’oncologia molecolare, e se ne sono trovati tanti altri.

Ma adesso cambiamo leggermente discorso, e parliamo del più famoso dei retrovirus: HIV. Di HIV si può dire tutto, tranne che sia oncogeno. I pazienti infetti da HIV e con AIDS conclamata possono sviluppare dei tumori, ma questi non sono dovuti ad HIV quanto ad un altro virus, HHV-8, altrimenti noto come virus del sarcoma di Kaposi. Non starò qui a spiegare la patogenesi di HIV nè il modo con cui si contrae.  Se volete avere informazioni sull’epidemiologia di HIV e sulla sua diffusione vi consiglio il sito di UNAIDS. Mi limiterò a parlare di un argomento meno noto, ma molto interessante, che è l’origine di questo virus. HIV è un retrovirus, appartenente alla sottofamiglia dei Lentivirus. Da quando è scoppiata la pandemia, circa all’inizio degli anni ’80 del secolo scorso, si è cercato di capire da chi, quando e dove fosse spuntato questo virus, che prima praticamente non esisteva! I primi virus che si ipotizzò potessero essere i progenitori di HIV furono i lentivirus dei primati. In particolare, un virus subito saltò all’occhio, il SIV, o Simian Immunodeficiency Virus, che infetta una grande varietà di primati africani. Ci sono diversi SIV in circolazione. in partcolare il SIV degli scimpanzè sembra aver dato origine al HIV-1, mentre il SIV di una scimmia, il Cercocebus atys ha dato origine ad HIV-2. Perchè di HIV ce ne sono due ceppi, decisamente diversi tra di loro,  perchè derivano da due SIV diversi. l’HIV-1 è quello più diffuso e più virulento dei due. Tutte quste informazioni si sono ottenute studiando i virus dal punto di vista molecolare.
Rimane da chiarire quando e come è avvenuta la trasmissione tra scimmia a uomo. In alcune parti dell’Africa centrale è d’uso cacciare e nutrirsi di scimmie. Questa pratica può aver reso possibile l’infezione e quindi la trasmissione di quei virus che non solo erano in grado di infettare l’uomo, ma anche di passare da uomo a uomo. Non so in base a quali criteri, inoltre, sembra il primo passaggio del virus HIV dalla scimmia all’uomo sia avvenuto attorno agli anni 30 del secolo scorso, e poi portato in tutto il mondo. Teniamo anche presente che quelle zone (come del resto tutta l’africa, erano zone coloniali, è facile quindi pensare una trasmissione scimmia-> autoctoni-> colonialisti. La pandemia ha avuto un periodo di latenza abbastanza ampio, circa quarant’anni, prima di esplodere.
Un’ultima considerazione. Il tasso di mutazione di HIV è molto elevato. Quello che sorprende è che all’interno di un’unica persona infetta si sviluppano ceppi differenti di questo virus, e man mano si selezionano i più virulenti. Questo è dovuto alla bassa fedeltà con cui la RT trascrive il genoma virale.

Ok, so di avere scritto fin troppo. Spero di non avervi annoiato. Se avete domande o correzioni da fare usate i commenti!

References:

On the origin and evolution of the human immunodeficiency virus (HIV), EDWARD C. HOLMES. Biol. Rev. (2001), 76, pp. 239–254

Retroviral reverse transcriptases, Alon Herschhorn • Amnon Hizi. Cell. Mol. Life Sci. (2010) 67:2717–2747

Tags: , , , , , , , , , , , , , ,

p53: il Guardiano del Genoma

13 novembre 2010 in lente di barlow by Manuel | 8 comments

Che titolo altisonante, anche se ci tengo a precisare che, purtroppo, non è una mia invenzione. Pomposità a parte, il titolo dice il vero, e dice il vero perchè la proteina p53 (che si chiama così perchè pesa 53 Kd.. Fantasia portami via) è una delle maggiori attrici nella salvaguardia dell’integrità del genoma. Quindi ritengo opportuno dedicarle un modesto post in questo sito. All’inizio degli anni 90 del secolo scorso, si è scoperto che una malattia ereditaria, la sindrome di Li-Fraumeni, era dovuta a delle mutazioni del gene TP53, che codifica appunto per p53. I portatori di questa grave patologia hanno un’incidenza mostruosa di determinati tipi di tumori (leucemie, cancro al seno, al cervello, ecc..).
In oncologia molecolare, i geni si classificano in proto-oncogeni e in oncosoppressori. I primi sono dei geni che, normalmente, sono indispensabili alla fisiologia cellulare, ma in determinati casi, se mutati, ed iperattivati si trasformano in oncogeni, ovverossia in geni responsabili nella generazione e /o nella progressione di un tumore. Appartengono a questa classe geni che codificano per fattori di crescita, per i recettori dei fattori di crescita e molti altri ancora: le mutazioni a questi geni si comportano come mutazioni dominanti. Gli oncosoppressori sono il contropeso degli oncogeni. Sono dei geni che normalmente hanno una funzione negativa sulla crescita e sulla proliferazione cellulare e molti di loro sono mutati ed inattivati in numerosi tipi di tumori. In questo caso, le mutazioni seguono il modello recessivo. Questa teoria viene anche detta la “teoria dei due colpi”  (two hits, in inglese) di Knudson, ovvero che sono necessarie due lesioni genetiche per inattivare  un oncosoppressore. P53 si comporta come un oncosoppressore.
L’importanza di p53 come oncosoppressore è stata dimostrata dal fatto che  circa la metà dei tumori umani è costituita da cellule che portano una mutazione (puntiforme od estesa) ad entrambi gli alleli di p53.  Il ruolo di p53 nei tumori è stato chiarito dal medico Bert Vogelstein (Laureato, tra le altre cose in matematica). Questo ci dice anche però che p53 non è l’unico oncosoppressore, perchè rimane fuori l’altra metà.
Qual’è la funzione di p53? Quando sottoponiamo una cellula a stress (ossidativo, chimico, o ad esempio sottoponendola a raggi gamma o UV, ovviamente in dosi subletali) notiamo che la cellula, se prima proliferava, cessa di proliferare, entra in senescenza, e molto probabilmente terminerà la sua vita attraverso l’apoptosi. Se andiamo a vedere cosa succede a livello molecolare in questi processi, noteremo, tra le altre cose, un aumento di concentrazione di p53.
Per capire meglio la funzione di P53 devo introdurre il concetto di punto di controllo, o check point. Sono delle fasi del ciclo cellulare in cui si verifica se è tutto ok (se il DNA è integro, perfettamente replicato, se c’è tutto il necessario alla cellula per procedere oltre). Se è tutto ok, la cellula procede oltre e terminerà con la mitosi. Se invece qualcosa dentro la cellula urla: “Huston, abbiamo un problema” tutto viene bloccato. Se si riescono a “correggere gli errori” si può procedere, altrimenti la cellula si blocca irreversibilmente. Questi check point sono stati descritti anche dal punto di vista molecolare. In diversi casi, quindi, un danno al DNA (che può essere una rottura del doppio filamento dovuto a radiazioni ionizzanti)  non porta, come si potrebbe pensare, ad un’attivazione del suo gene, ma soltanto alla stabilizzazione ed alla attivazione funzionale della proteina già presente nel citoplasma. La sua stabilizzazione si ottiene inibendo la sua degradazione. L’attivazione di p53 porta al suo legame al DNA e alla trascrizione di numerosi altri geni. P53 si comporta quindi come un fattore di trascrizione. Questa proteina è stata studiata anche dal punto di vista strutturale e si è visto che il suo dominio di legame con il DNA (DNA-Binding-Domain) è quello più frequentemente colpito dalle mutazioni (in particolare la regione compresa tra l’amminoacido 102 all’amminoacido 292). Questo video è molto interessante, perchè oltre a mostrare la struttura tridimensionale della proteina, mostra come interagisce col DNA.

p53-DNA Complex

Pensate che è possibile aumentare la concentrazione di p53 iniettando nella cellula del DNA a doppio filamento danneggiato., dimostrando che la via di attivazione di p53 è proprio quella del danneggiamento del DNA.
Uno dei geni attivati da p53 è il gene di p21 (lascio voi indovinare perchè si chiami così..). P21 è la responsabile dell’arresto del ciclo cellulare. infatti, come aumenta p53, aumenta anche p21. Se la cellula riesce a riparare il danno, il blocco può essere rimosso, altrimenti p53 promuove l’apoptosi della cellula. Questo è un meccanismo di sicurezza notevole: se la cellula col DNA danneggiato viene eliminata si abbassano notevolmente i rischi che le cellule si trasformino in cellule neoplastiche.
Questo schema, tratto da una review, riassume molto bene la centralità di p53 nei meccanismi preposti al controllo dell’integrità genomica:

Bai, L., Zhu, W., G., p53: Structure, Function and Therapeutic Applications

Capirete dunque quale sia l’importanza di questa proteina nella fisiologia cellulare! Certo che non è l’unica attrice, ma agendo come fattore trascrizionale, un suo mancato funzionamento compromette la funzione di moltissimi altri geni. Inoltre, essendo attivata dal danno al DNA, viene giustamente chiamata guardiano del genoma.
P53 è una proteina molto studiata. E’ nota la sua funzione ed è noto il suo ruolo nella genetica del cancro. Sono addirittura in fase di sperimentazione delle terapie contro il cancro che si basano sul riprsitino della funzione di p53. Sono stati infatti progettati dei vettori virali, degli adenovirus, (dei virus ingegnerizzati, tanto per intenderci.. potete leggervi il post precedente su Baculovirus) che contengono nel loro genoma la versione p53 normale e funzionante. Infettando le cellule tumorali con questi virus, si ripristinerebbe la funzione di p53 e questo porterebbe ad una regressione del tumore. Inoltre, i virus usati non sono pericolosi per l’uomo e soprattutto non integrano il loro genoma nel nostro, evitando quindi una serie di problemi, come la generazione stessa di altri tumori.
Spero di non avervi annoiato. se notate errori o avete domande, sapete cosa fare!

Tags: , , , , , , , , , , , ,

Numeri a caso

31 ottobre 2010 in lente di barlow by Alice | 2 comments

Molto probabilmente, se capitate da queste parti, avrete sentito parlare di Metodi Monte Carlo o di sequenze pseudorandom. Nel mio caso si è trattato di un incontro fortuito quando studiavo ancora al primo anno delle superiori (se non addirittura in terza media): la sensazione fu di perplessità (anzi, di buio totale): cosa diavolo potevano avere a che fare dei numeri random con la sicurezza informatica? E soprattutto come mai un capitolone di più di 50 pagine di un libro su questo argomento veniva dedicato a come creare numeri casuali? La risposta, o meglio le risposte, sono arrivate piano piano, con il proseguire degli studi e forse è il momento di mettere un po’ in ordine le idee.

Anzitutto, perchè generare numeri casuali? La domanda è già di per se formulata male: i numeri infatti non sono casuali: può essere casuale una loro sequenza, tuttavia per comodità si utilizza, anche in testi tecnici questa espressione. Numeri casuali o numeri random: non sembrano nulla di complicato, si tratta di sequenze di numeri non correlati fra di loro. Si possono costruire abbastanza facilmente: basta lanciare un dado, far girare una roulette o tirare una moneta. Intuitivamente si potrebbe pensare di farlo anche a mente, inventando numeri a caso: in merito a questa possibilità vi sono studi contrastanti. Alcune ricerche, sicuramente meno aggiornate, sostengono l’ipotesi che non siamo veramente in grado di generare sequenze di numeri casuali: compaiono una serie di pattern abbastanza naif tra cui una netta predominanza di numeri dispari e l’assoluta assenza di numeri consecutivi (che nelle sequenze veramente casuali compaiono, seppur raramente). Altri studi più recenti, ma meno confermati, sembrano dar credito all’idea opposta: i numeri generati a ruota libera dai campioni di persone studiati hanno superato tutti i test di casualità (in seguito vedremo di cosa si tratta).

da sinistra: Stan Ulam, Richard Feynman e John Von Neumann

In ogni caso, di fronte alle esigenze pratiche, l’obiettivo è quello di far produrre ad un computer sequenze di numeri casuali, così da avere sequenze molto grandi. E la domanda da un milione di dollari è: perchè?

Le applicazioni sono in realtà talmente tante che non so da dove cominciare. Tra i primi ad avere l’idea di utilizzare numeri casuali per ricerche scientifiche troviamo Enrico Fermi, uno dei più illustri fisici italiani,  nel 1930 che pensò di usarli  per simulare fenomeni nucleari, in particolare la diffusione casuale di neutroni. (In effetti,uno dei migliori generatori di numeri random è un campione di un materiale che decade, perciò non c’è da stupirsi che le sequenze casuali trovino applicazioni in fisica nucleare e subnucleare!) Sempre in ambito nucleare se ne occuparono John Von Neumann e Stanislaw Ulam, nei laboratori di Los Alamos. In generale in ambito scientifico, i metodi Monte Carlo (il nome deriva dalla denominazione in codice utilizzata durante il Progetto Manhattan) vengono utilizzati per simulare un fenomeno fisico (ad esempio il comportamento delle molecole in un gas, il comportamento del traffico su una strada, etc…), ma anche per confrontare i dati di una misura e le conclusioni da essi tratte con dei dati casuali (effettuando in questo modo un test denominato proprio Metodo Monte Carlo).

Le applicazioni non si fermano qui: la generazione di numeri casuali può essere utilizzata anche per il calcolo di integrali definiti, spesso multidimensionali ,(si veda l’esempio nella figura), ma anche per la grafica computerizzata, la crittografia (le chiavi dovrebbero essere il più casuale possibile in modo che sia molto difficle riprodurle), le analisi di borsa, le simulazioni dei giochi d’azzardo,etc…

Ecco un esempio di integrazione con Metodo Monte Carlo per calcolare il valore di pi. Si estraggono n coppie di numeri casuali all'interno del quadrato e si calcola il rapporto tra i punti interni alla circonferenza e quelli totali. Tramite questo rapporto si può calcolare facilmente il valore di pi.

In questo grafico si può vedere come il valore del rapporto tra i punti interni e quelli totali converga al crescere del numero di prove

In tutti questi ambiti le sequenze è bene che siano molto lunghe in modo da poter fare simulazioni più corpose e analisi più affidabili: per questa ragione utilizzare un calcolatore è l’ideale. E qui sorge un grosso problema: il computer è una macchina che esegue istruzioni codificate, come è possibile che generi numeri casuali? Effettivamente, nel caso di sequenze che vengono prodotte da un computer si parla di numeri pseudo-casuali o pseudo-random. Tali sequenze vengono generate da algoritmi i cui risultati, però, riescono a superare una serie di test che verificano, ad esempio, che i numeri generati all’interno della stessa sequenza non siano tra loro correlati. Di questo tipo di algoritmi ne sono stati proposti molti: uno dei primi è il Middle Square (proposto da Von Neumann nel 1946), il quale è piuttosto semplice e si presta bene per fare un esempio.

Middle Square, come tutti i generatori di numeri pseudo-random che conosco, richiede all’utente di inserire un seed, vale a dire un numero da cui partire per il calcolo. Di questo numero (il primo della sequenza) di, supponiamo, 6 cifre, computa il quadrato e il termine successivo della sequenza è rappresentato dalle 6 cifre centrali del quadrato calcolato. E così via…Non è nulla di complicato da descrivere, ma non è un buon algoritmo (perlomeno non lo è più) in quanto è possibile entrare in loop periodici e per essere vagamente valido il numero di cifre che deve avere ogni numero deve essere piuttosto alto.

I metodi più noti sono quelli appartenenti alla categoria dei metodi lineari congruenti (proposti da Lehmer nel 1948) abbreviati LCG. Questi metodi richiedono un seed per costruire una sequenza secondo questa regola:

xn+1 = (a xn + c) mod m,  n≥0,

Dove a, c ed m sono numeri interi. Il problema di questo metodo consiste nel fatto che la scelta dei parametri è cruciale ed è molto difficile prevedere quali siano le conseguenze della scelta di un particolare set di parametri. E’ stato inoltre dimostrato che si presentano particolari correlazioni: in particolare tutti i numeri di una sequenza tendono a disporsi su iperpiano di dimensione collegata alla scelta di m. In realtà questo tipo di generatori viene comunque utilizzato, ma non per simulazioni di esperimenti fisici o per applicazioni crittografiche (proprio a causa di queste correlazioni).

In questa animazione è rappresentata la generazione di numeri casuali con un algoritmo di tipo LCG. Si può osservare che all'aumentare dei numeri generati questi tendono a disporsi su un piano.

Ma allora cosa si utilizza per le simulazioni di esperimenti? In realtà ogni framework di analisi dati ha fatto le sue scelte (e spesso ne offrono all’utente anche più di una). Tuttavia al momento lo strumento migliore a disposizione di chi vuole generare numeri casuali è l’algoritmo Mersenne Twister presentato nel 1997 da M. Matsumoto and T. Nishimura il quale consiste in una variante dei generatori LCG, ma che non presenta la criticità legata alla disposizione su iperpiani e ha superato tutti i più severi test di casualità.

Tags: , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,

« Older entries § Newer entries »