Siamo tutti mutanti. Ogni caratteristica che definisce la nostra specie è il risultato di una mutazione genetica da qualche parte nella storia dell’evoluzione. E lo stesso vale per ogni altro organismo sul pianeta. Eppure il più delle volte pensiamo alle mutazioni come negative, che portano a disabilità o malattie. Quindi, quanto spesso questi cambiamenti al DNA sono dannosi e quanti di loro sono potenzialmente utili? Un nuovo studio suggerisce che le mutazioni letali possono essere molto meno comuni di quanto si pensasse, almeno nei batteri.
La maggior parte delle mutazioni del DNA sono causate da errori che accadono quando una cellula fa una copia di tutte le sue informazioni genetiche in modo che possa dividersi in due nuove cellule. I batteri come l’E. coli devono copiare circa cinque milioni di lettere di codice DNA. Per gli esseri umani, sono circa 3,2 miliardi di lettere di DNA nelle uova e nello sperma, e il doppio in altre cellule del corpo.
Nonostante i sistemi sofisticati per rilevare e riparare gli errori di copiatura quando si verificano, alcuni occasionalmente sfuggono alla rete. La maggior parte risulta in quelle che vengono chiamate “mutazioni puntiformi”, poiché comportano solo un cambiamento di una singola lettera del DNA. Eppure anche queste possono a volte portare a grandi cambiamenti, alterando i geni e le proteine che producono. Questo a sua volta può influenzare il modo in cui il corpo cresce o funziona.
Le mutazioni possono guidare l’evoluzione, se danno a un individuo un vantaggio che significa che è più probabile che sopravviva per avere figli e trasmettere il gene mutato. Le possibilità che mutazioni casuali in milioni o miliardi di lettere di codice siano benefiche possono sembrare piccole. Ma la vita sulla Terra esiste da quattro miliardi di anni, quindi i tempi evolutivi sono enormi.
Mutazioni possono anche causare gravi problemi di salute, alcuni dei quali possono anche essere ereditati. Ricercatori francesi hanno recentemente cercato di capire quanto spesso le mutazioni siano effettivamente dannose, usando il batterio E. coli come modello. Lydia Roberts e i suoi colleghi hanno usato una tecnica ingegnosa che ha permesso loro di visualizzare i cambiamenti del DNA che avvenivano mentre i batteri si stavano effettivamente dividendo.
Il modo usuale per stimare i tassi di mutazione nei batteri comporta la loro coltivazione su piastre di agar, piatti di plastica contenenti una gelatina ricca di nutrienti per i microbi. Ma il problema con questo approccio è che tutti i batteri che acquisiscono una mutazione letale ovviamente muoiono, quindi l’informazione su questi cambiamenti genetici è permanentemente persa.
Per aggirare questo, i ricercatori francesi hanno usato un piccolo chip contenente 1.000 canali microscopici, in cui viene fornito brodo nutriente liquido. Le nuove cellule prodotte dopo ogni divisione cellulare rimangono nei canali, indipendentemente da eventuali mutazioni dannose che potrebbero influenzare la loro sopravvivenza.
Il team ha poi utilizzato l’imaging time-lapse, combinato con un marcatore fluorescente che lampeggia ogni volta che si verifica una mutazione. Questo ha prodotto video impressionanti dei batteri che si moltiplicano e mutano che ricordano le linee di codice ritratte nel film di fantascienza The Matrix.
I risultati, pubblicati su Science, suggeriscono che le mutazioni puntiformi nei batteri sorgono ad un ritmo costante di circa una ogni 600 ore. Con sorpresa dei ricercatori, hanno anche scoperto che solo circa l’1% di questi cambiamenti del DNA erano letali per i batteri – molto meno di quanto si pensasse in precedenza.
Sembra che, almeno nei batteri, la maggior parte delle mutazioni potrebbe non avere alcun effetto sulla sopravvivenza. Non sono né “cattive” né “buone”, ma semplicemente astanti evolutivi. I ricercatori che lavorano per capire come le mutazioni genetiche causano le malattie negli esseri umani si stanno ponendo domande simili. I risultati di grandi progetti come il progetto 100.000 Genomi del Regno Unito dovrebbero aiutare a rivelare quali mutazioni causano malattie e quali non hanno alcuna conseguenza.
Al di là del bene e del male
Ma sappiamo anche che classificare le mutazioni come buone o cattive a volte può essere molto difficile. Spesso dipende dal contesto, per esempio se la mutazione aiuta l’organismo a utilizzare una particolare fonte di cibo o a combattere una malattia presente durante la sua vita. E alcune mutazioni possono essere benefiche se viene ereditata una sola copia, ma dannose se vengono ereditate due copie. Un esempio di mutazione genica soggetta a questo tipo di “selezione equilibrante” è la malattia falciforme.
Le persone con la malattia falciforme hanno una mutazione genetica che produce una forma alterata di emoglobina, la proteina nei globuli rossi che trasporta l’ossigeno nel corpo. L’emoglobina alterata produce lunghi globuli a forma di falce che possono bloccarsi in piccoli vasi sanguigni. Questo causa dolore al petto e alle articolazioni, così come anemia, un aumento del rischio di infezioni e altri problemi.
Anche se, nonostante questi effetti potenzialmente devastanti sulla salute, la malattia è relativamente comune in alcuni paesi. Si stima che 300.000 bambini che ereditano due copie della mutazione del gene falciforme (una da ciascun genitore) nascono con la malattia ogni anno, soprattutto in Nigeria, Repubblica Democratica del Congo e India.
Questo perché le persone con una copia della mutazione sono resistenti alla malaria, e quindi hanno più probabilità di sopravvivere in età adulta e passare il gene mutato ai loro figli. Quindi, anche se avere la falcemia è uno svantaggio evolutivo, i portatori non affetti della mutazione del gene hanno un vantaggio di sopravvivenza nei paesi dove la malaria era (o è ancora) diffusa.
Un recente studio statunitense suggerisce che tutte le persone che vivono con la malattia oggi discendono da un unico antenato che ha vissuto circa 7.300 anni fa nel Sahara o nell’Africa centro-occidentale. Questo dimostra come una singola mutazione può diffondersi a molti, molti individui in una popolazione se conferisce un beneficio significativo, anche se ha anche il potenziale di fare male. Allo stesso modo, ci sono prove che una singola copia della mutazione del gene della fibrosi cistica può aver fornito ai nostri antenati la resistenza al colera, e che i portatori della malattia di Tay-Sachs hanno resistenza alla tubercolosi.
Una migliore comprensione degli effetti delle mutazioni potrebbe giocare un ruolo importante nel trattamento delle malattie. Per esempio, studiare i tassi di mutazione in diversi tipi di cellule potrebbe far luce su come il cancro insorge in diversi tessuti del corpo. E la comprensione dei tassi di mutazione batterica potrebbe aiutare gli scienziati a combattere i microbi che hanno evoluto la resistenza agli antibiotici. Questo aiuterà alla fine a inaugurare una nuova era della medicina, in cui molte malattie saranno diagnosticate e trattate con l’aiuto delle informazioni genetiche. E questo deve essere un bene.