Quando il DNA si guasta: la scienza delle mutazioni

Nel 1949 un giovane chimico del Caltech di nome Linus Pauling teneva tra le mani le bozze di stampa di un articolo lungo appena quattro pagine. Portava un titolo poco appariscente, "Sickle Cell Anemia, a Molecular Disease", ma quella frase avrebbe riorganizzato il mezzo secolo successivo di medicina. Per la prima volta una malattia umana veniva ricondotta non a un vago squilibrio di umori, né a un microbo, ma a una singola molecola difettosa. Pauling e i suoi colleghi avevano dimostrato che l'emoglobina delle persone affette da anemia falciforme si comportava in un campo elettrico in modo diverso dall'emoglobina delle persone sane. La differenza era minuscola, ma era reale, misurabile e fisica. Da qualche parte, nella chimica di una sola proteina, si nascondeva l'intera storia della malattia.

Ciò che Pauling non poteva ancora vedere era la causa di quella differenza chimica, perché la struttura del DNA non sarebbe stata risolta fino al 1953, e il codice genetico non sarebbe stato decifrato fino agli anni Sessanta. Ma la pista che aveva aperto condusse, alla fine, a una singola lettera. Tra i circa tre miliardi di lettere che compongono un genoma umano, la differenza tra la salute e una vita intera di crisi dolorose si riduceva a una sola. Per capire come ciò sia possibile, dobbiamo guardare a che cosa sia davvero una mutazione, a come le mutazioni si presentino in dimensioni diverse, e al perché alcune tra le più dannose si siano ostinatamente rifiutate di scomparire.

Che cosa intendiamo quando diciamo mutazione

Una mutazione è qualsiasi cambiamento nella sequenza del DNA che sia ereditabile quando la cellula si divide. Vale la pena soffermarsi su questa definizione, perché porta con sé due idee facili da trascurare. La prima è che una mutazione è un cambiamento nella sequenza stessa, nell'ordine effettivo delle lettere chimiche, e non semplicemente un danno alla molecola o una lettura errata temporanea. La seconda è che deve essere trasmessa quando la cellula si replica. Un graffio nel DNA che la cellula ripara prima di dividersi non lascia alcuna traccia duratura e non è, in senso stretto, una mutazione. Un cambiamento che sopravvive nelle cellule figlie diventa parte di quella discendenza per sempre.

Le mutazioni si presentano in molte forme. Una mutazione può essere una singola base scambiata con un'altra, una base mancante o in eccesso, oppure un intero frammento di cromosoma prelevato e spostato altrove. L'entità del cambiamento varia da una sola lettera chimica a interi segmenti di un cromosoma. Eppure il fatto più importante sulle mutazioni è anche il più controintuitivo: la maggior parte di esse non provoca nulla di visibile. Il genoma è grande, gran parte di esso non codifica per proteine, e lo stesso codice genetico ha una ridondanza incorporata. Moltissimi cambiamenti finiscono in punti dove non fanno differenza, oppure vengono corretti in silenzio, oppure sono semplicemente tollerati. La mutazione non è una catastrofe rara. È un costante ronzio di fondo, e la malattia emerge solo quando un cambiamento si insedia esattamente nel punto sbagliato.

Leggere i cromosomi di una cellula in una sola fotografia

Prima di seguire le mutazioni fino al livello delle singole lettere, conviene allargare del tutto lo sguardo, alla scala a cui un medico nel 1959 poteva effettivamente vedere qualcosa andare storto. Lo strumento adatto è il cariotipo, una fotografia di tutti i cromosomi di una singola cellula, disposti e ordinati per dimensione. Un cariotipo umano dispone 22 coppie numerate di autosomi più i due cromosomi sessuali, 46 cromosomi in tutto. La tecnica fu perfezionata nel 1956, una volta che i ricercatori impararono a cogliere le cellule nel mezzo della divisione, quando i cromosomi sono condensati e distinti, e a distenderli con nettezza davanti alla macchina fotografica.

Il cariotipo resta il test diagnostico standard per le anomalie cromosomiche, il tipo di mutazione visibile alla scala più grande. Non si può vedere una singola base scambiata al microscopio, così come non si potrebbe individuare una sola lettera stampata male in un'intera biblioteca guardandola dall'altra parte della strada. Ma si può senz'altro vedere che un cromosoma manca, è spezzato o è presente in triplice copia. Il cariotipo è ciò che rende diagnosticabile a occhio la più ampia classe di mutazioni, e introduce un modo utile di pensare all'intero argomento: le mutazioni si ordinano da sole per scala.

Le tre scale a cui il DNA può cambiare

Alla scala più piccola si collocano le mutazioni puntiformi, in cui una base viene scambiata con un'altra, una singola lettera cambiata nel testo. Un gradino più su ci sono le mutazioni con scivolamento del modulo di lettura, o frameshift, che inseriscono o eliminano basi in numeri che non sono multipli di tre. Quel dettaglio conta enormemente, perché la cellula legge il DNA in parole di tre lettere chiamate codoni, ognuna delle quali specifica un amminoacido. Aggiungete o togliete una o due lettere, e ogni codone a valle di quel punto viene raggruppato nelle parole sbagliate. Il modulo di lettura scivola, e dalla mutazione in poi la proteina è un'accozzaglia senza senso. È la differenza tra "il grande cane rosso" e, dopo aver cancellato una lettera, "lg rand ecan eross o." Tutto ciò che segue il taglio diventa privo di senso.

Alla scala più grande ci sono le mutazioni cromosomiche, che alterano la struttura o il numero di interi cromosomi. Sono i cambiamenti che un cariotipo può rivelare: un intero cromosoma duplicato, un pezzo eliminato, un segmento ribaltato o spostato su un cromosoma diverso. Le tre scale (puntiforme, frameshift e cromosomica) ci offrono un quadro pulito. Quasi ogni malattia genetica con un nome è, in fondo, un esempio di una di queste, e il resto di questo articolo passa in rassegna i casi classici che gli studenti di biologia incontrano più e più volte.

Quando una sola lettera basta: mutazioni puntiformi e anemia falciforme

Una mutazione puntiforme, lo scambio di una singola base, può fare una di tre cose, e la ridondanza del codice genetico le spiega tutte e tre. Poiché diversi codoni possono specificare lo stesso amminoacido, uno scambio di base a volte cambia il codone in un suo sinonimo, producendo esattamente lo stesso amminoacido e la stessa proteina. È una mutazione silente, e non fa nulla. Altre volte lo scambio cambia il codone in uno che specifica un amminoacido diverso, alterando un singolo mattone della proteina. È una mutazione di senso errato, o missenso. E a volte lo scambio trasforma un codone di amminoacido in un segnale di stop, troncando la proteina. È una mutazione non senso, o nonsenso, e di solito produce una proteina tronca e non funzionante.

L'anemia falciforme, la malattia che avviò Pauling su questo cammino, è la mutazione missenso da manuale. L'allele falciforme è un cambiamento di una singola base, una A scambiata con una T, nel sesto codone del gene della beta-globina. Quel solo cambiamento sostituisce l'amminoacido acido glutammico con la valina in una posizione della proteina emoglobina. L'acido glutammico porta una carica e ama l'acqua; la valina è idrofoba e la rifugge. Quel passaggio da un residuo che ama l'acqua a uno che la teme basta a far sì che le molecole di emoglobina si attacchino le une alle altre e polimerizzino in lunghe fibre quando l'ossigeno scarseggia, come accade nei piccoli vasi del corpo. Le fibre irrigidiscono e deformano i globuli rossi nella rigida forma a falce che dà il nome alla malattia. Quelle cellule deformi si incastrano nei capillari e si frammentano prematuramente, producendo le crisi dolorose e l'anemia della malattia. Una lettera, un amminoacido, una malattia, l'intera catena causale che corre da una singola sostituzione chimica fino all'esperienza vissuta di un paziente.

Quando interi cromosomi vanno fuori posto

Non ogni disturbo si nasconde al livello delle singole lettere. La sindrome di Down è causata dalla trisomia 21, la presenza di tre copie del cromosoma 21 invece delle solite due. Non c'è nulla di sbagliato in alcun singolo gene; piuttosto, l'equivalente di un intero cromosoma di geni è presente in dose pari a una volta e mezza il normale, e quell'eccesso disturba lo sviluppo in modi ancora non del tutto mappati. La sindrome di Down occupa un posto particolare nella storia come la prima condizione umana mai ricondotta a una specifica causa cromosomica, identificata da Jérôme Lejeune e colleghi a Parigi nel 1959, appena tre anni dopo la maturazione della tecnica del cariotipo. Fu, in un certo senso, la controparte cromosomica della malattia molecolare di Pauling: la prova che si poteva indicare una causa precisa e visibile per un disturbo umano.

Altri disturbi si collocano a scale intermedie e rivelano la genetica nel suo aspetto più strano. La malattia di Huntington è causata da un'espansione di ripetizioni trinucleotidiche, in cui la sequenza di tre lettere CAG è ripetuta troppe volte di fila all'interno del gene HTT sul cromosoma 4. Gli alleli normali portano tra 6 e 35 di queste ripetizioni; gli alleli colpiti ne portano 36 o più. La malattia è autosomica dominante, quindi una sola copia difettosa basta a causarla, e i suoi sintomi cominciano in genere in età adulta, intorno ai 40 anni, dopo che una persona potrebbe già aver avuto figli. Ancora più strano, la ripetizione tende ad allungarsi quando viene trasmessa da una generazione alla successiva, il che può far comparire la malattia prima e in forma più grave nelle generazioni successive della stessa famiglia. La fibrosi cistica, al contrario, è autosomica recessiva e richiede due copie difettose. Nasce da mutazioni nel gene CFTR sul cromosoma 7, che codifica per un canale che sposta gli ioni cloruro attraverso le membrane cellulari. L'allele che causa la malattia più comune al mondo, chiamato delta-F508, è una delezione di tre basi che rimuove un singolo amminoacido, la fenilalanina in posizione 508, dalla proteina. Poiché vengono rimosse tre basi, il modulo di lettura è preservato, ma il canale risultante si ripiega in modo errato e non raggiunge mai la superficie cellulare, così l'equilibrio di sali e acqua viene meno nei polmoni e in altri organi.

L'assalto costante e la macchina che si difende

Se le mutazioni potessero accumularsi senza controllo, nessun genoma resterebbe intatto per una sola vita. Il DNA è danneggiato di continuo, dalla luce ultravioletta del sole, dalle radiazioni ionizzanti, dai sottoprodotti reattivi del metabolismo stesso della cellula e dai mutageni chimici dell'ambiente. Contro questo assalto incessante la cellula mantiene una difesa dedicata, quattro principali sistemi di riparazione che pattugliano il genoma e correggono la maggior parte dei danni prima che il ciclo successivo di replicazione possa fissarli. Esistono la riparazione per escissione di nucleotidi, la riparazione per escissione di basi, la riparazione degli appaiamenti errati e la riparazione delle rotture a doppio filamento, ognuna specializzata per un tipo diverso di lesione. Il fatto che si possa stare al sole, respirare ossigeno e trasmettere comunque ai propri figli un genoma sostanzialmente intatto è una testimonianza di quanto bene funzioni questa macchina. Le mutazioni che causano malattia sono, in senso concreto, i rari fallimenti che sfuggono a un sistema di controllo qualità straordinariamente competente.

Ciò solleva un enigma finale. Se la maggior parte delle mutazioni dannose viene intercettata, e quelle che sfuggono rendono i loro portatori meno sani e meno propensi a riprodursi, perché gli alleli patologici persistono affatto? La selezione naturale dovrebbe consumarli generazione dopo generazione. Per un caso celebre, la risposta è che proprio quello stesso allele è, nelle giuste circostanze, un vantaggio. L'allele falciforme raggiunge frequenze del 10-40 per cento nelle regioni storicamente flagellate dalla malaria da falciparum, molto più alte di quanto la mutazione casuale potrebbe mantenere. Il motivo è il vantaggio dell'eterozigote: le persone che portano un allele normale e uno falciforme hanno una resistenza sostanziale alla malaria grave, mentre quelle con due alleli normali sono vulnerabili al parassita e quelle con due alleli falciformi soffrono di anemia falciforme conclamata. Il portatore, a metà strada, è il più adatto dei tre in un ambiente malarico, perciò la selezione conserva l'allele invece di eliminarlo. Questo è il classico esempio da manuale di selezione bilanciante, il caso in cui un gene apparentemente dannoso sopravvive proprio perché, in un mondo particolare, protegge anche.

Punti chiave

Una mutazione è qualsiasi cambiamento ereditabile nella sequenza del DNA e, nonostante la loro temibile reputazione, la maggior parte delle mutazioni non provoca nulla di visibile, perché il genoma è grande, gran parte di esso non codificante, e il codice genetico è ridondante. Le mutazioni si ordinano per scala in mutazioni puntiformi (una singola base scambiata, con esiti silenti, missenso e nonsenso a seconda di come il cambiamento interagisce con il codice), mutazioni frameshift (inserzioni o delezioni che non sono multipli di tre e quindi scompigliano ogni codone a valle) e mutazioni cromosomiche (cambiamenti nella struttura o nel numero di interi cromosomi, il tipo che un cariotipo può rivelare). Alleli specifici con un nome producono disturbi specifici con un nome: l'anemia falciforme da un singolo cambiamento missenso nella beta-globina che scambia la valina con l'acido glutammico, la sindrome di Down dalla trisomia 21, la malattia di Huntington da un'espansione di ripetizioni CAG in HTT che si allunga attraverso le generazioni, e la fibrosi cistica dalla delezione di tre basi delta-F508 in CFTR. Quattro sistemi di riparazione intercettano la maggior parte dei danni al DNA prima che diventino permanenti, e dove gli alleli dannosi persistono comunque, la selezione bilanciante può spiegarlo: la resistenza del portatore falciforme alla malaria è la ragione per cui uno degli alleli patologici più studiati della medicina non è mai scomparso.