Il ruolo del DNAmicro satellite

nell'evoluzione

Le sequenze ripetitive di DNA sonostate determinanti nel favorire

l'adattamento all'ambiente dei batteri,e forse anche degli organismi superiori;

esse però sono implicate anchein alcune patologie umane

di E. Richard Moxon e Christopher Wills

In questo esempio la regione contenente il micro-satellite appare in colore più intenso ed è costitui-ta da una sequenza specifica di unità di DNA, obasi - CAAT (citosina-adenina-adenina-timina) -ripetuta cinque volte; ogni sequenza CAAT è sem-pre appaiata a una sequenza complementare GT-TA (guanina-timina-timina-adenina) sul filamen-to opposto del DNA. Le sequenze ripetitive deimicrosatelliti possono contenere fino a un massi-mo di sei basi, e ogni sequenza può essere presen-te in molte copie.

/ 1 codice genetico di un essere umano consiste approssi-mativamente di tre miliardi di basi azotate, le«lettere>, dell'alfabeto del DNA. Tuttavia, solo il 10-

-15 per cento di esse costituisce i geni, ossia gli stampi usa-ti dalle cellule per sintetizzare le proteine. Negli esseri uma-ni - come in molti altri organismi - una parte delle restantisequenze di basi assolve funzioni essenziali: per esempio es-se contribuiscono ad attivare e disattivare i geni e a tenereinsieme i cromosomi. Gran parte del DNA, tuttavia, nonsembra avere un'utilità evidente, il che ha indotto alcuni adefinirlo ‹<DNA-spazzatura» (junk DNA).

Il DNA spazzatura comprende fra l'altro strane regioninote come DNA satellite. Si tratta di sequenze costituitedalle quattro basi presenti nel DNA - adenina (A), citosina(C), guanina (G) e timina (T) - ripetute diverse volte in va-rie combinazioni, come in una sorta di balbettìo genetico.Negli ultimi anni, si è cominciato a scoprire che i cosiddet-ti microsatelliti - le regioni contenenti le sequenze ripetitivepiù brevi - eseguono numerose e notevoli funzioni e hannoun significato biologico assai importante.

In effetti si è constatato che la natura ripetitiva dei micro-satelliti rende queste regioni del genoma particolarmentesoggette ad aumentare o ridurre la propria lunghezza, e chetali cambiamenti possono avere, per l'organismo che ne èportatore, conseguenze sia positive sia negative. In alcunibatteri patogeni, per esempio, le sequenze ripetitive pro-muovono la comparsa di nuove proprietà che possono con-sentire loro di sopravvivere a modificazioni ambientali po-tenzialmente letali. È probabile che alcuni microsatelliti ab-biano effetti notevoli anche nell'uomo, dal momento che nelnostro genoma - ossia nel corredo completo di DNA di unacellula umana - ce ne sono almeno 100 000. Sebbene la solafunzione finora assegnata ai microsatelliti umani - quellacioè di causare varie malattie neurologiche - sia negativa,queste strutture potrebbero essere ciò che resta dei processievolutivi che contribuirono a plasmare l'uomo moderno.

Mentre alcuni ricercatori tentano di stabilire perché ilgenoma umano contenga una così cospicua quantità diDNA ripetitivo, molti di essi stanno imparando ad avvaler-si dei microsatelliti per diagnosticare patologie neurologi-che e identificare le persone a rischio per quelle malattie. Sista anche scoprendo che, nelle prime fasi dello sviluppo dialcuni tipi di tumori, la lunghezza dei microsatelliti cam-bia, il che li rende marcatori preziosi per la diagnosi preco-ce di certe neoplasie (si veda la finestra alle pagine 94-95).Inoltre, poiché la lunghezza dei microsatelliti può variareda un individuo all'altro, si è cominciato a usarli sia per l'i-dentificazione di criminali sia per la determinazione dellapaternità, in una procedura atta a rilevare quelle che pos-sono essere considerate le «impronte digitali» genetichedell'individuo (si veda la finestra a pagina 93).

Il DNA satellite venne identificato per la prima volta ne-gli anni sessanta, quando si osservò che, centrifugando ilDNA in determinate condizioni, esso sedimentava in due opiù fasi: una banda principale contenente i geni, e alcunebande secondarie che furono denominate bande satelliti.Queste ultime risultarono costituite da sequenze di DNAmolto lunghe e ripetitive. Nel 1985 Alec J. Jeffreys, dell'U-niversità di Leicester, scoprì altre regioni ripetitive delDNA, più brevi, che denominò minisatelliti e che si rivela-rono costituite da sequenze ripetitive di 15 o più basi. (Jef-freys e colleghi determinarono inoltre che il numero di se-quenze ripetitive in un dato minisatellite differisce da unindividuo all'altro: una scoperta che permise loro di mette-re a punto la tecnica delle «impronte» genetiche.) Alla finedegli anni ottanta, James L. Weber e Paula L. May, dellaMarshfield Medical Research Foundation di Marshfield(Wisconsin), insieme con Michael Litt e Jeffrey A. Lutydella Oregon Health Sciences University, isolarono alcunisatelliti costituiti da sequenze di DNA ancora più brevi,che denominarono microsatelliti; anche questi si sarebberodimostrati utili per la tecnica delle «impronte» genetiche.

Oggi si ritiene che il DNA microsatellite sia costituito dasequenze ripetitive di un massimo di sei basi, l'una dietrol'altra, come un treno formato da molti carri tutti dellostesso tipo. Ciò che rende il DNA microsatellite tanto im-portante ai fini dell'evoluzione è la sua altissima velocità dimutazione: da una generazione all'altra è 10 000 volte piùprobabile osservare l'acquisizione o la perdita di una se-quenza ripetitiva di quanto non lo sia assistere, nel geneper l'anemia falciforme, alla mutazione puntiforme cheporta allo sviluppo della malattia. E sebbene sia rarissimoche tale mutazione puntiforme vada incontro a retromuta-zione ripristinando l'allele normale, nel caso dei microsa-telliti, invece, è facile osservare il ritorno alla lunghezzaoriginaria, spesso nell'arco di poche generazioni.

Microbi «intelligenti»Il ruolo dei microsatelliti nel promuovere la diversità dei

batteri patogeni fu scoperto nel 1986 nel laboratorio diThomas F. Meyer, al Max-Planck-Institut fúr Biologie diTúbingen. Meyer e colleghi stavano studiando Neisseria go-norrhoeae, il batterio responsabile della gonorrea, una ma-lattia a trasmissione sessuale. Nella porzione più esternadella membrana plasmatica N. gonorrhoeae, un organismounicellulare, possiede una famiglia costituita da fino a 12proteine codificate da geni denominati Opa. (Il nome diquesti geni viene dall'aspetto opaco delle colonie battericheche sintetizzano le proteine Opa.) Le proteine codificate daigeni Opa sono importanti perché consentono al batterio diaderire e invadere le cellule, il che accade sia a livello degliepiteli (per esempio quelli che rivestono le vie respiratorie),sia a livello dei fagociti (cellule del sistema immunitario).Ciascun gene Opa contiene un microsatellite costituito damolteplici copie della sequenza di cinque basi CTCTT.

L'enorme possibilità di variazione conferita ai microrga-nismi dalle sequenze ripetitive microsatelliti deriva dal fat-to che, durante la replicazione del DNA, esse sono partico-larmente soggette a errori, spesso dovuti a slittamento delmodulo di lettura e conseguente errato appaiamento deidue filamenti. Prima che una cellula - batterica o di altranatura - possa riprodursi, deve duplicare il proprio DNA:si tratta di un processo complicato, in q uanto ogni moleco-la di DNA è costituita da una doppia elica che ricorda unascala a pioli avvolta su se stessa, dove i pioli rappresentanole coppie di basi. Il codice genetico viene compitato dallebasi presenti su un lato dell'elica: quelle presenti sull'altrolato sono complementari (in altre parole, la base A si ap-

90 LE SCIENZE n. 367, marzo 1999 LE SCIENZE n. 367, marzo 1999 91

Errori di appaiamento nella replicazione del DNAi n questo processo, il numero di sequenze ripetitive o microsa-

telliti aumenta o si riduce nel momento in cui, prima di divi-dersi, la cellula copia il proprio DNA. Durante la replicazione delDNA (a), il complesso enzimatico della DNA polimerasi apre, co-me fosse una cerniera lampo, la doppia elica del DNA parentalee copia entrambi i filamenti. Una delle copie viene sintetizzataun pezzo alla volta: il complesso della polimerasi sintetizza unbreve frammento (1) iniziando con una sequenza di RNA primer,poi salta più avanti per generare un secondo frammento (2).Quando la polimerasi termina la sintesi di quest'ultimo, la se-

a REPLICAZIONE DEL DNA

quenza di RNA primer si stacca, e i due frammenti neosintetizza-ti vengono collegati con un segmento di DNA. L'aumento delnumero di sequenze ripetitive microsatelliti (b) ha luogo quan-do, nel legarsi al filamento parentale che funge da stampo, ilnuovo filamento slitta di una sequenza, inducendo così la poli-merasi ad aggiungere una sequenza ripetitiva in più per colma-re la lacuna creatasi nel nuovo filamento. La riduzione (c) avvie-ne quando slitta il filamento parentale, un evento che si traducenell'eliminazione di una sequenza ripetitiva da parte degli enzi-mi di riparazione.

AMPLIFICAZIONE DELLE SEQUENZE RIPETITIVE

NUOVO FILAMENTO

CAATCAATCAATCAATCAATTT5TA;

TTAGTTAILT,AAA

IL NUOVO FILAMENTOSLITTA

heT OFIL EAATICAATCAATCAATTICTA

MAiikliTTtfitAkTAILLAITTAITTAAAgkr

SUCCESSIVO CICLO DI REPLICAZIONE

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RIDUZIONE DELLE SEQUENZE RIPETITIVE

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DIREZIONEDELLA REPLICAZIONE

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GLI ENZIMI ELIMINANO 2/— IL FILAMENTO STAMPO

PORZIONI DI FILAMENTO SLITTA

NON APPAIATE E ANSE O ANELLI

COMPLESSO DELLA DNA POLIMERASI

FILAMENTONEOSINTETIZZATO

FILAMENTOSTAMPO

DIREZIONEDELLA REPLICAZIONE

DOPPIA ELICA PARENTALE

PROTEINE (MANTENGONOIL DNA IN FORMADI SINGOLO FILAMENTO)

FILAMENTOSTAMPO

FILAMENTOSTAMPO

PRIMONUOVO FILAMENTO

SECONDONUOVO

FILAMENTO

SEQUENZADI RNA PRIMER

SEQUENZADI RNA PRIMER

RNA PRIMER

FILAMENTO STAMPO

14

paia sempre con T, e C sempre con G).Durante la replicazione del DNA,

la doppia elica si apre nel mezzo, co-me una cerniera lampo; in tal modo,le coppie di basi si separano e le DNA

polimerasi copiano ciascun filamento(si veda la finestra in questa pagina).Via via che il nuovo filamento vienesintetizzato, esso si appaia al suostampo. Un errato appaiamento, do-

vuto a uno slittamento del modulo dilettura, può verificarsi quando il vec-chio filamento che funge da stampo,o quello nuovo e complementare invia di formazione, slitta e si appaia

con una sequenza errata sull'altro fi-lamento. Tale slittamento induce laDNA polimerasi ad aggiungere o acancellare una o più copie della se-quenza ripetitiva nel nuovo filamentodi DNA.

In N. gonorrhoeae la frequenza ditale meccanismo di slittamento è mol-to elevata: ogni volta che i batteri sidividono, all'incirca una cellula figliaogni 100-1000 risulterà portatricedi una mutazione tale da modifica-re il numero di sequenze ripetitiveCTCTT. Poiché l'informazione gene-tica viene letta in «parole» di tre basi,denominate codoni, questa modifica-zione può avere effetti drastici sui ge-ni Opa. Le proteine sono sequenze diamminoacidi e ciascun codone speci-fica un particolare amminoacido nellacatena proteica. Poiché la sequenza ri-petitiva non è lunga tre basi, un au-mento o una diminuzione del numerodi tali sequenze modifica il modulo dilettura, cambiando il significato ditutti i codoni successivi.

Nel caso dei geni Opa, l'eliminazio-ne di una sequenza CTCTT porta allaproduzione di una catena proteica piùbreve, che non è in grado di aderirealla cellula ospite; di conseguenza, ilbatterio che sintetizza questa proteinaaccorciata non può più penetrare nel-le cellule. D'altra parte, ci sono buoneprobabilità che successivi slittamentidel modulo di lettura riaggiungano lasequenza ripetitiva persa in preceden-za, consentendo così al gene Opa diprodurre nuovamente una proteinafunzionale.

Questo meccanismo reversibile diattivazione/inattivazione, denominatovariazione di fase, è stato osservato inmolti batteri patogeni. Attivando e di-sattivando i propri geni Opa nel pas-saggio da una generazione alla succes-siva, N. gonorrhoeae può aumentarele proprie probabilità di sopravviven-za. Ci sono casi, per esempio, in cuiper il microrganismo è utile aderirealle cellule dell'ospite e penetrare inesse, come quando sta infettando unnuovo ospite. In altre circostanze, peril batterio è strategicamente più van-taggioso non interagire con le celluledell'ospite, in particolare con i fago-citi che inglobano e distruggono i mi-crorganismi.

Le implicazioni delle mutazioni de-rivanti dallo slittamento del modulodi lettura, ai fini della capacità di unbatterio di variare le caratteristichedelle proprie molecole di superficie,sono state studiate approfonditamen-te anche in Hemophilus influenzae. Iceppi di tipo b di questo microrgani-smo sono una causa primaria dellameningite batterica, un'infezione che

Sulle tracce del padre

O'tre alle sue ben note applicazioni incriminologia con l'analisi delle «im-

pronte digitali» genetiche, il DNA micro-satellite contribuisce anche alla protezio-ne di specie in pericolo di estinzione con-sentendo lo studio del comportamento ri-produttivo di questi animali.

L'analisi delle impronte genetiche, chedistinguono gli individui grazie a differen-ze presenti in particolari regioni del loroDNA, è possibile perché la lunghezza del-le sequenze del DNA microsatellite differi-sce da un soggetto all'altro. Si ottengonole impronte usando speciali enzimi checonsentono di produrre milioni di copieesatte dei vari microsatelliti di ciascun in-dividuo, che poi vengono separate su gelin base alle dimensioni molecolari. Moltosimile a un codice a barre, il risultato è unaserie di bande, caratteristiche di ogni indi-viduo proprio come le impronte digitali.

Pascal Gagneux e David Woodruff del-l'Università della California a San Diego,insieme con Christophe Boesch dell'Istitu-to di zoologia dell'Università di Basilea,hanno usato il DNA microsatellite cometracciante per esaminare il comportamen-to riproduttivo di un gruppo di scimpanzéallo stato selvatico nella foresta di Tai inCosta d'Avorio. Ogni animale si costruisceun giaciglio sulla cima degli alberi dovetrascorre la notte; i ricercatori hanno rac-colto da questi giacigli alcuni peli e hannoestratto il DNA dalle cellule rimaste attac-cate a essi. Confrontando le impronte ge-netiche del DNA microsatellite dei maschie delle femmine adulti con quelle di 13piccoli, Gagneux, Woodruff e Boesch sco-prirono che sette di essi non potevano es-sere figli di alcuno dei maschi apparte-nenti al gruppo. Sebbene i ricercatori nonle avessero mai colte sul fatto, almeno al-cune delle femmine dovevano essersi al-lontanate di nascosto nella foresta duran-te la notte per incontrarsi con i maschi dialtri gruppi vicini.

mette a repentaglio la vita del pazien-te. Fino all'avvento di un vaccino, re-sosi disponibile alla fine degli anni ot-tanta, pressappoco un bambino su750, nella fascia di età inferiore ai cin-que anni, contraeva meningite soste-nuta da H. influenzae.

La superficie della membrana di H.influenzae è costellata di molecole dilipidi e zuccheri unite a formare unamolecola di lipopolisaccaride (LPS).Una parte dell'LPS, la fosfocolina,promuove l'adesione di H. influenzaealle cellule della mucosa rinofaringeadell'uomo, dove normalmente il bat-terio vive senza indurre sintomatolo-gia alcuna. Dei geni necessari per sin-tetizzare l'LPS, almeno tre contengo-no microsatelliti costituiti dalla ripeti-

Stando a quanto dimostrano i test per ladeterminazione delle impronte genetichebasati sull'analisi del DNA microsatelli-te, le femmine di scimpanzé, come que-sta col suo piccolo, spesso si accoppianodi nascosto con maschi che non fannoparte del loro stesso gruppo.

Queste avventure notturne potrebberospiegare come mai anche piccoli gruppidi scimpanzé mantengano un elevato li-vello di diversità genetica. La diversità èuna risorsa preziosa per assicurare resi-stenza alle malattie, e ci sono forti sospet-ti che essa eserciti effetti favorevoli anchein molti altri modi.

È probabile che la conservazione di talevarietà sia essenziale alla sopravvivenzadelle popolazioni di scimpanzé allo statoselvatico. Purtroppo, nel momento in cuitali popolazioni diventano sempre piùframmentate e separate da grandi distan-ze, la capacità delle femmine di incontrar-si con maschi di altri gruppi e di immette-re nuovi geni nel proprio clan viene dra-sticamente ridotta.

zione della sequenza di quattro basiCAA T. Come nel caso dei microsatel-liti dei geni Opa di N. gonorrhoeae,modificazioni nel numero delle se-quenze ripetitive CAA T in questi geniinducono la sintesi di LPS contenentio meno fosfocolina.

Jeffrey N. Weiser dell'Universitàdella Pennsylvania ha dimostrato chei ceppi di H. influenzae le cui moleco-le contengono fosfocolina (ChoP+)colonizzano la mucosa rinofaringeaumana in modo più efficiente di quel-li che ne sono privi (ChoP—). Senza fo-sfocolina, tuttavia, il batterio è più re-sistente a vari fattori, presenti nel san-gue e in altri fluidi corporei dell'ospi-te, che possono ucciderlo. La cellulabatterica può passare da uno stato al-

92 LE SCIENZE n. 367, marzo 1999 LE SCIENZE n. 367, marzo 1999 93

POLMONE NORMALE

MICRO-SATELLITE

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Per una diagnosi precoce dei tumori

E probabile che il DNA dei microsatellitiL— sia destinato ben presto a influenzarela nostra vita in modo importante, inquanto può contribuire a diagnosticaresempre più precocemente il cancro. I testper evidenziare la presenza di mutazioniin geni i cui alleli alterati possono predi-sporre al cancro, come p53 e ras, possonoora essere usati per identificare anche unasola cellula cancerosa in mezzo a 10 000normali. Purtroppo, però, le mutazioni diquesti geni non sono presenti in tutti i tipidi cancro, e nemmeno in tutti i tumori diun determinato tipo.

I microsatelliti forniscono un altro me-todo per la diagnosi precoce del cancro,in quanto il tasso complessivo di espan-sione o contrazione del DNA microsatelli-tare aumenta nettamente in alcuni tipi ditumore. Queste intense fasi di alterazione,che spesso coinvolgono molti microsatel-liti diversi, possono essere individuate conrelativa facilità. Il metodo attualmente di-sponibile permette di individuare una cel-lula cancerosa su 500 normali.

Alterazioni a carico dei microsatelliti fu-rono trovate per la prima volta nel 1993 daManuel Perucho del California Institute ofBiological Research di La Jolla, che si stavadedicando allo studio delle forme di can-cro del colon ereditarie diverse dalla poli-posi familiare. Perucho osservò che moltimicrosatelliti provenienti da cellule cance-rose erano più lunghi o più corti di quelliprovenienti dalle cellule normali dellostesso paziente. Ben presto fu dimostratoche uno dei difetti che causavano tali alte-razioni era localizzato in un gene codifi-cante per un enzima responsabile dellacorrezione di eventuali modifiche - allun-gamenti o riduzioni - verificatesi a caricodei microsatelliti durante la replicazionedel DNA; la perdita del gene funzionalepresumibilmente aumentava la probabi-lità che gli errori non venissero corretti.

La dimostrazione fu completa quandoRichard C. Boland dell'Università della Ca-

l'altro (da ChoP+ a ChoP—) a secondache stia crescendo indisturbata nellevie respiratorie o si stia diffondendoad altri siti attraverso il sangue, doveprobabilmente sarà attaccata dallecomponenti del sistema immunitario.

La maggior parte dei batteri H. in-fluenzae isolati in ospiti umani sonovarianti ChoP+, suscettibili all'attaccoda parte delle difese immunitarie. Ine-vitabilmente, fenomeni di slittamentodel modulo di lettura danno luogo avarianti ChoP—, che però di solito nonpersistono nel tratto respiratorio, inquanto aderiscono alle cellule ospitiin modo meno efficiente dei ceppiChoP+. Se però l'ospite contrae un'in-fezione virale che causa un'infiamma-

lifornia a San Diego, insieme con altri, in-serì un cromosoma umano portatore diun gene normale per la riparazione delDNA in cellule di carcinoma del colon col-tivate in vitro. Essi osservarono che il geneinserito correggeva la tendenza a mutaredei microsatelliti presenti nelle cellulecancerose.

Per quanto interessanti siano questi ri-sultati, tuttavia, l'instabilità dei microsa-telliti potrebbe essere più un sintomoche non una causa del cancro. I cosiddet-ti topi knockout sono privi del gene checodifica per una delle principali proteineincaricate della riparazione delle muta-zioni derivanti da appaiamenti errati; seb-bene essi vivano solo per breve tempo econtraggano molti tipi di cancro, nessunadelle loro cellule tumorali presenta unaumento del tasso di mutazione nelle re-gioni microsatellitari.

Sembra che tali modificazioni rappre-sentino solo una parte della grande va-rietà di alterazioni genetiche che possonoprodursi a cascata nel genoma di una cel-lula, una volta innescato il processo dicancerogenesi: ciò significa che esse po-trebbero essere sottoprodotti di tale pro-cesso, e non fattori che vi contribuiscono.

Ciò nondimeno, l'associazione si verifi-ca abbastanza spesso perché l'instabilitàmicrosatellitare offra ai clinici uno stru-mento nuovo e potente. Sperimentazionicliniche che hanno utilizzato sistemi didiagnosi precoce con i microsatelliti sonostate condotte con successo per i tumoridel colon-retto e della vescica, e attual-mente sono in corso anche per altri tipi dicancro, sebbene nessuno di questi test siaancora disponibile al di fuori dell'ambitodella ricerca. Quando si sarà acquisitaesperienza con questi diversi modelli, nonsolo i tumori potranno essere diagnosti-cati prima di quanto sia mai stato possibi-le, ma il tipo di variazioni interessanti i mi-crosatelliti fornirà importanti indicazionicirca il tipo di tumore implicato.

zione dei tessuti nasali, il processo flo-gistico in atto può aumentare l'esposi-zione dei batteri alle proteine difensi-ve sintetizzate dal sistema immunita-rio. In quel caso, le varianti ChoP-avrebbero un vantaggio, essendo ingrado di eludere tale attacco. Succes-sivamente, una volta che l'infezionevirale si sarà attenuata, torneranno apredominare i mutanti ChoP+ genera-ti da successivi eventi di slittamentodel modulo di lettura a livello delDNA microsatellite.

Geni come questi, che possono es-sere rapidamente e facilmente attivatie disattivati, sono stati denominati ge-ni della contingenza, per la loro capa-cità di consentire almeno ad alcuni

I test per la diagnosi di cancro indivi-duano alterazioni della lunghezza deimicrosatelliti, come quelli costituitidalla ripetizione di sequenze CA. Lecellule di polmone normale, per esem-pio, presentano regioni ripetitive CA didue diverse lunghezze - una ereditatadalla madre e una dal padre - che pos-sono essere separate su un gel in base

batteri di una particolare popolazio-ne di adattarsi a nuove situazioni am-bientali. Fra i caratteri codificati dageni della contingenza ci sono quelliresponsabili di aspetti biologici fon-damentali, quali il riconoscimento daparte del sistema immunitario dell'o-spite, la motilità generale, il movi-mento verso stimoli chimici (chemio-tassi), l'adesione e l'invasione dellecellule dell'ospite, l'acquisizione di so-stanze nutritive e la sensibilità agli an-tibiotici. I geni della contingenza co-stituiscono una frazione molto esiguadel DNA di un batterio, ma possonofornire al microrganismo un'enormeflessibilità funzionale. A titolo diesempio, se un batterio medio avesse

MATERNO MATERNO PATERNO PATERNOMUTANTE

MUTANTE

PATERNOMUTANTE

PATERNO

MATERNO

MATERNOMUTANTE

alle loro dimensioni. I tumori in faseprecoce, come l'adenoma polmonare,sono costituiti sia da cellule normali siada cellule cancerose, che possono essereindividuate perché, come mostra l'illu-strazione qui sopra, l'accorciamento ol'allungamento dei loro microsatelliticonsente di separare più delle normalidue bande sul gel.

anche solo 10 geni della contingenzasu un totale di 2000, potrebbe presen-tare ben 2 10 - ossia 1024 - diversecombinazioni di geni attivati e disatti-vati. Tale diversità garantisce che inuna popolazione almeno un batterioriesca a sopravvivere alle difese im-munitarie o di altro tipo messe in attodall'ospite, e possa quindi replicarsiper generare una nuova colonia capa-ce di prosperare.

La patogenicità - un meccanismoche può ritorcersi contro gli stessi bat-teri nel momento in cui essi uccidonol'ospite che consente loro di vivere - èprobabilmente uno dei modi con cui imicrorganismi pagano la propria abi-lità di produrre tante varianti. Occa-

sionalmente una variante può allonta-narsi da quella che è la sua consue-ta nicchia ecologica nell'ospite. Peresempio, essa potrebbe penetrare nel-le cellule di rivestimento del trattorespiratorio o gastroenterico, dandoorigine a un'infezione potenzialmenteletale in un altro sito dell'organismo.Tuttavia, purché tali eventi si verifi-chino raramente, ai fini della soprav-vivenza i benefici arrecati a una speciebatterica dal possesso dei geni dellacontingenza superano lo svantaggiocomportato dalla morte di qualche in-dividuo ospite.

I microsatelliti di questi batteri sonodunque autentici adattamenti evoluti-vi. Non è plausibile che tali insolite se-quenze ripetitive siano insorte per ca-so; esse devono essersi evolute e con-servate in quanto consentono alle po-polazioni batteriche di adattarsi rapi-damente alle modificazioni ambientali.

I microsatelliti

nell'uomo

A dispetto della loro utilità, sembrache i geni della contingenza siano li-mitati ai batteri. Negli organismi eu-carioti come l'uomo - le cui cellulecontengono un nucleo - il ruolo deimicrosatelliti sembra essere molto di-verso. Fra i microsatelliti degli euca-rioti finora identificati nessuno sem-bra disturbare le modalità di letturadel DNA dando luogo alla sintesi diproteine non funzionali. La maggiorparte dei microsatelliti si trova al difuori dei geni, ma il 10 per cento circaè all'interno di essi. Questo 10 percento è in massima parte costituitodalle cosiddette triplette ripetitive, os-sia sequenze che tendono a espandersio a contrarsi in unità di tre basi. Pro-prio come, in una frase, l'aggiunta ola caduta di un «e» o di un «il» rara-mente ne pregiudica il significato, lesequenze ripetitive di triplette posso-no espandersi o contrarsi senza di-sturbare il messaggio di un gene.Avendo la stessa lunghezza di un co-done, probabilmente esse portano al-la semplice inserzione o rimozione diqualche amminoacido ripetitivo, sen-za alterare la sequenza di tutti gli altria valle della mutazione.

E allora, quali sono le funzioni deimicrosatelliti negli organismi superio-ri? Gli scienziati ritengono che alme-no alcuni di essi debbano avere un'u-tilità, dal momento che gli eucariotipossiedono più microsatelliti dei bat-teri e molti di essi si trovano all'inter-no o nei pressi di geni che partecipanoa vie metaboliche implicate nella re-golazione di processi cellulari fonda-

mentali. Tuttavia sono emersi solo al-cuni indizi che lasciano intravvederequali possano essere tali scopi.

I pochi effetti che finora è statopossibile associare causalmente ai mi-crosatelliti degli eucarioti sono in ge-nere dannosi. La corea di Hunting-ton, per esempio, è una terribile ma-lattia neurodegenerativa caratterizza-ta da demenza a insorgenza tardiva edalla graduale perdita del controllomotorio; questa patologia è innescatadalla presenza dell'allele difettoso diun gene che codifica per una grossaprotéina, la huntingtina, la cui funzio-ne è tuttora sconosciuta. L'allele nor-male contiene un lungo microsatellitecostituito da triplette ripetitive, cheaggiunge una sequenza di residui diglutammina proprio all'inizio dellaproteina.

Il numero di residui di glutamminanella porzione iniziale della huntingti-na è di solito compreso fra 10 e 30.Tuttavia, gli individui che hanno lacorea di Huntington, o che sono de-stinati a esserne affetti, sono portatoridi un microsatellite codificante peruna sequenza di glutammine insolita-mente lunga: 36 o più residui. Eredi-tare un singola copia del gene difetto-so, per via materna o paterna, è suffi-ciente a garantire l'insorgenza dellamalattia. Non è stato ancora chiaritoin che modo la lunga sequenza di resi-dui glutamminici contribuisca alla ge-nesi della corea di Huntington.

Attualmente conosciamo quasi unaquindicina di patologie causate damutazioni interessanti queste sequenzeripetitive di triplette; nella maggiorparte dei casi si tratta di malattie neu-rologiche rare. Circa la metà delle se-quenze ripetitive microsatellitari si tro-va all'interno di un gene e in massimaparte codifica per la glutammina; le al-tre sequenze si trovano comunquesempre abbastanza vicine ai geni dapoterne influenzare la funzione.

Una di queste rare patologie neuro-logiche - l'atrofia muscolare spinobul-bare - deriva dall'espansione di un mi-crosatellite all'interno di un gene checodifica per il recettore di un ormoneandrogeno e che è localizzato sul cro-mosoma X. Gli individui che presen-tano 40 o più triplette ripetute su unodei geni codificanti per il recettoredell'androgeno sviluppano la malat-tia. Un gruppo di ricerca diretto daE. L. Yong del National UniversityHospital di Singapore ha però dimo-strato che anche ripetizioni di sequen-ze appena più lunghe del normalepossono avere effetti di interesse me-dico. Nel 1997, sempre studiando ilgene per il recettore dell'androgeno,Yong e collaboratori riferirono che gli

94 LE SCIENZE n. 367, marzo 1999 LE SCIENZE n. 367, marzo 1999 95

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uomini con un numero di sequenze ri-petitive compreso fra 28 e 40 nella re-gione codificante per i residui di glu-tammina avevano un'elevata probabi-lità di essere sterili.

Nello stesso gene, anche un nume-ro troppo basso di sequenze ripetitivepuò avere conseguenze spiacevoli: di-versi altri gruppi di ricerca hanno di-mostrato che gli uomini con 23 se-quenze ripetitive (o meno) hanno unrischio superiore alla media di amma-larsi di cancro della prostata. Questicasi, tuttavia, sono insoliti.

Come si è evoluta

la capacità di evolverePerché possediamo tutte queste

bombe a orologeria innescate nel no-stro genoma? Vale la pena, a questopunto, di sottolineare due fatti: in pri-mo luogo, molte delle patologie chevedono implicate le sequenze ripetiti-ve di triplette interessano la funzioneneurologica; inoltre, nessuna delle pa-tologie che nell'uomo sono legate allamutazione di tali sequenze è stata os-servata in altri primati, per esempionegli scimpanzé. Se tali malattie do-vessero rivelarsi esclusive del genereumano, potrebbero rappresentare uncosto, in termini genetici, nel qualesiamo incorsi a causa della rapidaevoluzione del nostro cervello. È pos-sibile che i lunghi microsatelliti all'in-terno o in prossimità di certi geni pos-sano contribuire alla funzione cere-brale e che pertanto siano stati con-servati nel corso dell'evoluzione an-che se, di tanto in tanto, si espandonotroppo e causano malattie.

Nel 1989 uno di noi (Wills) ipo-tizzò, su basi teoriche, che alcuni geniavessero, per così dire, evoluto la ca-pacità di evolversi. Stando a quest'i-potesi, in un ambiente che si modifi-casse in modi per certi versi prevedibi-li, per esempio diventando più caldoo più freddo, sarebbe vantaggiosopossedere un apparato genetico taleda consentire una rapida evoluzione.

E. RICHARD MOXON e CHRI-STOPHER WILLS studiano il DNAmicrosatellite partendo da due pro-spettive diverse. Moxon è a capo delDipartimento di pediatria dell'Uni-versità di Oxford e del Molecular In-fectious Diseases Group presso ilJohn Radcliffe Hospital di Oxford(Inghilterra). Wills è professore dibiologia all'Università della Califor-nia a San Diego.

In tal senso, i geni della contingenzadei batteri si sono dimostrati eccellen-ti esempi di geni promuoventi la ca-pacità di evolvere: il loro elevato tassodi mutazione e retromutazione con-sente tanto il rapido adattamento deimicrorganismi a modificazioni am-bientali prevedibili, quanto l'eventua-le reversione, qualora ricomparisserole condizioni originarie.

Forse, negli eucarioti, i microsatelli-ti esercitano una forma di regolazionemeno evidente di quella offerta ai bat-teri dai geni della contingenza. All'in-terno dei geni umani, sono stati trova-ti microsatelliti che influenzano la ve-locità di produzione di numerose pro-teine diverse, che vanno dalla bilirubi-na (un pigmento biliare) ai neurotra-smettitori (le molecole che traspor-tano i messaggi da una cellula ner-vosa all'altra). David G. King dellaSouthern Illinois University ha ipotiz-zato che questi microsatelliti possanoessere una sorta di «manopole di re-golazione» evolutesi quali reostatidella funzione genica, consentendo diaumentare la quantità di proteinaprodotta da un gene in determinatecircostanze, e di ridurla in altre.

In effetti, Walter Schaffner e colle-ghi dell'Università di Zurigo hannodimostrato che l'aggiunta di microsa-telliti che codificano per sequenze ri-petitive di glutammina o prolina all'i-nizio di un gene può aumentare la suacapacità di esprimere la proteina co-dificata. Essendo meno drastica diquella operata dai geni della contin-genza batterici, questa forma di rego-lazione genica potrebbe essere emersanel corso dell'evoluzione di organismicomplessi pluricellulari.

Si sta appena cominciando a capireil ruolo dei microsatelliti nella nostraspecie. Forse le sequenze ripetitive, conla loro capacità di passare rapidamenteda uno stato all'altro fra un numero li-mitato di possibilità, potrebbero far-ci comprendere la nostra capacità diadattarci ai cambiamenti ambientali,proprio come i geni della contingenzahanno fatto nel caso dei batteri.

MOXON E. R. e altri, Adaptive Evo-lution of Highly Mutable Loci inPathogenic Bacteria in «Current Bio-logy», 4, n. 1, 10 gennaio 1994.

KING D. G., SOLLER M. e KASHI Y.,Evolutionary Tuning Knobs in «En-deavour», 21, n. 1, 1997.

GAGNEUX P., WOODRUFF D. S. eBOESCH C., Furtive Mating in FemaleChimpanzees in «Nature», 387, pp.358-359, 22 maggio 1997.