I geni sono i progetti per costruire il macchinario chimico che mantiene in vita le cellule. Questo è vero per gli esseri umani e per tutte le altre forme di vita. Ma sapevate che con 20.000 geni, le persone hanno quasi 11.000 geni in meno delle pulci d’acqua? Se il numero di geni non predice la complessità, cosa lo fa?
La risposta è che il nostro materiale genetico contiene molto più delle unità che chiamiamo geni. Altrettanto importanti sono gli interruttori che accendono e spengono un gene. E il modo in cui le cellule leggono e interpretano le istruzioni genetiche è molto più complesso nelle persone che in quelle pulci d’acqua.
I geni e gli interruttori che li controllano sono fatti di DNA. Si tratta di una lunga molecola che assomiglia a una scala a spirale. La sua forma è conosciuta come una doppia elica. Un totale di tre miliardi di pioli collegano i due filamenti esterni – i supporti verticali – di questa scala. Chiamiamo i pioli coppie di basi per le due sostanze chimiche (coppia) da cui sono composti. Gli scienziati si riferiscono a ciascuna sostanza chimica con la sua iniziale: A (adenina), C (citosina), G (guanina) e T (timina). La A si accoppia sempre con la T; la C si accoppia sempre con la G.
Nelle cellule umane, il DNA a doppio filamento non esiste come una molecola gigantesca. È diviso in pezzi più piccoli chiamati cromosomi (KROH-moh-soams). Questi sono impacchettati in 23 coppie per cellula. Questo fa 46 cromosomi in totale. Insieme, i 20.000 geni sui nostri 46 cromosomi sono chiamati genoma umano.
Il ruolo del DNA è simile a quello dell’alfabeto. Ha il potenziale per trasportare informazioni, ma solo se le lettere sono combinate in modo da creare parole significative. Mettendo insieme le parole si ottengono le istruzioni, come in una ricetta. Quindi i geni sono istruzioni per la cellula. Come le istruzioni, i geni hanno un “inizio”. La loro stringa di coppie di basi deve seguire un ordine specifico fino a raggiungere una “fine” definita.
Se i geni sono come una ricetta di base, gli alleli (Ah-LEE-uhls) sono versioni di quella ricetta. Per esempio, gli alleli del gene del “colore degli occhi” danno indicazioni per fare gli occhi blu, verdi, marroni e così via. Noi ereditiamo un allele, o versione del gene, da ciascuno dei nostri genitori. Questo significa che la maggior parte delle nostre cellule contiene due alleli, uno per cromosoma.
Ma non siamo copie esatte dei nostri genitori (o fratelli). Il motivo: prima di ereditarli, gli alleli vengono mischiati come un mazzo di carte. Questo accade quando il corpo crea le cellule uovo e sperma. Sono le uniche cellule con una sola versione di ogni gene (invece di due), impacchettate in 23 cromosomi. Le cellule uovo e sperma si fondono in un processo noto come fecondazione. Questo inizia lo sviluppo di una nuova persona.
Combinando due serie di 23 cromosomi – una serie dall’uovo, una serie dalla cellula spermatica – la nuova persona finisce con i soliti due alleli e 46 cromosomi. E la sua combinazione unica di alleli non si presenterà mai più nello stesso identico modo. È ciò che rende unico ognuno di noi, ma non siamo copie esatte dei nostri genitori (o fratelli). Il motivo: prima di ereditarli, gli alleli vengono mescolati come un mazzo di carte. Questo accade quando il corpo crea le cellule uovo e sperma. Sono le uniche cellule con una sola versione di ogni gene (invece di due), impacchettate in 23 cromosomi. Le cellule uovo e sperma si fondono in un processo noto come fecondazione. Questo inizia lo sviluppo di una nuova persona.
Una cellula fecondata ha bisogno di moltiplicarsi per fare tutti gli organi e le parti del corpo di un bambino. Per moltiplicarsi, una cellula si divide in due copie identiche. La cellula usa le istruzioni sul suo DNA e le sostanze chimiche nella cellula per produrre una copia identica del DNA per la nuova cellula. Poi il processo si ripete molte volte: una cellula si copia per diventare due. E due si copiano per diventare quattro. E così via.
Per fare organi e tessuti, le cellule usano le istruzioni sul loro DNA per costruire piccole macchine. Esse controllano le reazioni tra le sostanze chimiche nella cellula che alla fine producono organi e tessuti. Le piccole macchine sono le proteine. Quando una cellula legge le istruzioni di un gene, la chiamiamo espressione genica. Una cellula fecondata ha bisogno di moltiplicarsi per produrre tutti gli organi e le parti del corpo di un bambino. Per moltiplicarsi, una cellula si divide in due copie identiche. La cellula usa le istruzioni sul suo DNA e le sostanze chimiche nella cellula per produrre una copia identica del DNA per la nuova cellula. Poi il processo si ripete molte volte: una cellula si copia per diventare due. E due si copiano per diventare quattro. E così via.
Come funziona l’espressione genica?
L’espressione genica si basa su molecole helper. Queste interpretano le istruzioni di un gene per produrre i giusti tipi di proteine. Un importante gruppo di questi aiutanti è noto come RNA. È chimicamente simile al DNA. Un tipo di RNA è l’RNA messaggero (mRNA). È una copia a singolo filamento del DNA a doppio filamento.
La produzione di mRNA dal DNA è il primo passo nell’espressione genica. Questo processo è noto come trascrizione e avviene all’interno del nucleo della cellula, o nucleo. Il secondo passo, chiamato traduzione, avviene fuori dal nucleo. Trasforma il messaggio mRNA in una proteina assemblando i blocchi chimici appropriati, noti come aminoacidi (Ah-MEE-no).
Tutte le proteine umane sono catene con diverse combinazioni di 20 aminoacidi. Alcune proteine controllano reazioni chimiche. Alcune trasportano messaggi. Altre ancora funzionano come materiali da costruzione. Tutti gli organismi hanno bisogno di proteine affinché le loro cellule possano vivere e crescere.
Per costruire una proteina, le molecole di un altro tipo di RNA – l’RNA di trasferimento (tRNA) – si allineano lungo il filamento di mRNA. Ogni tRNA porta una sequenza di tre lettere a un’estremità e un amminoacido all’altra. Per esempio, la sequenza GCG porta sempre l’aminoacido alanina (AL-uh-neen). I tRNA fanno combaciare la loro sequenza con quella dell’mRNA, tre lettere alla volta. Poi, un’altra molecola di aiuto, conosciuta come ribosoma (RY-boh-soam), unisce gli aminoacidi all’altra estremità per fare la proteina.
Un gene, diverse proteine
Gli scienziati pensavano inizialmente che ogni gene contenesse il codice per fare una sola proteina. Si sbagliavano. Usando il macchinario RNA e i suoi aiutanti, le nostre cellule possono fare molto più di 20.000 proteine dai loro 20.000 geni. Gli scienziati non sanno esattamente quante altre. Potrebbero essere alcune centinaia di migliaia – forse un milione!
Come può un gene produrre più di un tipo di proteina? Solo alcuni tratti di un gene, noti come esoni, codificano per gli aminoacidi. Le regioni intermedie sono gli introni. Prima che l’mRNA lasci il nucleo di una cellula, molecole aiutanti rimuovono i suoi introni e ricuciono i suoi esoni. Gli scienziati si riferiscono a questo come splicing dell’mRNA.
Lo stesso mRNA può essere splicato in modi diversi. Questo accade spesso in diversi tessuti (forse la pelle, il cervello o il fegato). È come se i lettori “parlassero” lingue diverse e interpretassero lo stesso messaggio del DNA in più modi. Questo è un modo in cui il corpo può avere più proteine che geni.
Ecco un altro modo. La maggior parte dei geni ha più interruttori. Gli interruttori determinano dove un mRNA inizia a leggere una sequenza di DNA e dove si ferma. Siti di inizio o fine diversi creano proteine diverse, alcune più lunghe e altre più corte. A volte, la trascrizione non inizia fino a quando diverse sostanze chimiche si attaccano alla sequenza di DNA. Questi siti di legame al DNA possono essere lontani dal gene, ma influenzano comunque quando e come la cellula legge il suo messaggio.
Le variazioni di splicing e gli interruttori genici producono diversi mRNA. E questi vengono tradotti in proteine diverse. Le proteine possono anche cambiare dopo che i loro elementi costitutivi sono stati assemblati in una catena. Per esempio, la cellula può aggiungere sostanze chimiche per dare ad una proteina una nuova funzione.
Il DNA contiene più che istruzioni per costruire
La produzione di proteine non è l’unico ruolo del DNA. Infatti, solo l’uno per cento del DNA umano contiene gli esoni che la cellula traduce in sequenze di proteine. Le stime per la quota di DNA che controlla l’espressione genica vanno dal 25 all’80 per cento. Gli scienziati non conoscono ancora il numero esatto perché è più difficile trovare queste regioni regolatrici del DNA. Alcune sono interruttori genici. Altre fanno molecole di RNA che non sono coinvolte nella costruzione delle proteine.
Controllare l’espressione genica è complesso quasi quanto dirigere una grande orchestra sinfonica. Basta considerare ciò che serve a una singola cellula uovo fecondata per svilupparsi in un bambino entro nove mesi.
Allora è importante che le pulci d’acqua abbiano più geni codificanti per le proteine rispetto alle persone? Non proprio. Gran parte della nostra complessità si nasconde nelle regioni di regolazione del nostro DNA. E la decodifica di quella parte del nostro genoma terrà impegnati gli scienziati per molti, molti anni.
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