Riassunto:
Alcuni cambiamenti genetici nello sperma umano potrebbero verificarsi prima di quanto la scienza avesse a lungo pensato, suggerisce un nuovo studio. Alcuni dei processi di ricombinazione del DNA che determinano la diversità genetica della prole non si verificano tutti durante la fase della meiosi necessaria per produrre spermatozoi, ma potrebbero essere iniziati prima durante lo sviluppo cellulare.
Questa ricerca pubblicata sulla rivista Nature è stata completata congiuntamente dal Sanger Institute nel Regno Unito, dall'Università di Cambridge e da una serie di istituzioni che hanno collaborato. Lo studio si è concentrato su un fenomeno genetico noto come “conversione genetica non scambiabile”. In questo processo, un cromosoma copia una piccola sequenza di DNA dalla sua controparte, modificando la versione della genetica trasportata in una determinata posizione.
Ogni bambino eredita un set di cromosomi dai suoi genitori, ma queste informazioni genetiche non vengono semplicemente copiate e trasmesse direttamente alla generazione successiva. Durante la formazione degli spermatozoi e degli ovuli, il materiale genetico subisce una complessa ricombinazione, dando alla prole una combinazione unica di geni.
La comunità scientifica generalmente ritiene che queste ricombinazioni avvengano principalmente durante la meiosi. La visione tradizionale è che i due principali meccanismi di ricombinazione genetica, incluso il "cross-over", che comporta lo scambio bidirezionale su larga scala di segmenti cromosomici, e la "conversione genica senza scambio", che copia brevi segmenti di DNA, fanno parte del processo di meiosi.
Una nuova ricerca, tuttavia, mette in discussione questa visione di lunga data.
I ricercatori hanno sottolineato che prima di entrare nella meiosi, le cellule precursori che formeranno gli spermatozoi hanno effettivamente subito più cicli di divisione cellulare ordinaria, cioè la mitosi. Queste cellule vengono costantemente rinnovate durante la vita di un uomo per mantenere una produzione continua di sperma.
Per determinare se alcuni eventi di conversione genetica potrebbero verificarsi in questa fase iniziale, il team ha analizzato 15 campioni di sperma provenienti da 13 donatori maschi, di età compresa tra 24 e 74 anni.
Con l'aiuto della tecnologia di sequenziamento del DNA a lettura lunga ad alta precisione, i ricercatori possono osservare direttamente informazioni su lunghi frammenti in singole molecole di DNA, scoprendo così molti piccoli eventi di ricombinazione difficili da rilevare con i metodi di sequenziamento tradizionali.
I risultati dell'analisi hanno mostrato che il team di ricerca ha identificato un totale di 7143 eventi di crossover e 2382 eventi di conversione genetica senza scambio nel DNA degli spermatozoi.
I ricercatori hanno poi confrontato questi risultati con campioni di DNA del sangue e dati di studi pubblicati in precedenza. I risultati hanno mostrato che una percentuale considerevole di conversioni geniche non di scambio non avevano caratteristiche tipiche della meiosi, ma erano più simili al risultato della riparazione del DNA formatasi prima di entrare nella meiosi.
Ulteriori analisi hanno mostrato che questi eventi erano debolmente associati ai punti caldi delle rotture del DNA che tipicamente si verificano durante la meiosi e mancavano di molte delle firme genetiche che i ricercatori si aspettavano. Invece, compaiono più spesso in regioni fragili del genoma che sono soggette a danni e rotture del DNA.
Il team di ricerca ha inoltre scoperto che modelli simili non solo esistevano nei campioni di sperma, ma che segnali correlati potevano essere osservati anche nel DNA del sangue. Le cellule del sangue non subiscono la meiosi, quindi questo risultato supporta ulteriormente l’idea che una certa conversione genetica possa derivare da attività di riparazione del DNA durante la normale divisione cellulare.
I ricercatori ritengono che ciò significhi che la ricombinazione genetica nelle cellule germinali maschili può effettivamente avvenire in due fasi. La prima fase avviene durante la divisione quotidiana delle cellule precursori dello sperma, mentre la seconda fase avviene durante la meiosi nel senso tradizionale.
Inoltre, gli studi hanno rilevato differenze significative tra gli individui. Anche i gemelli identici con background genetico altamente identico non hanno esattamente lo stesso modello di conversione genetica parziale nei loro spermatozoi. Ciò suggerisce che tali cambiamenti genetici non sono interamente determinati da fattori genetici ma sono influenzati da eventi biologici indipendenti durante la vita di un individuo.
Gli scienziati hanno affermato che questa scoperta non solo cambia la comprensione del meccanismo di formazione degli spermatozoi, ma fornisce anche una nuova prospettiva per lo studio delle malattie genetiche, della fertilità maschile e dell'evoluzione a lungo termine del genoma.
Il gruppo di ricerca ritiene che un'ulteriore analisi di questi primi processi di riparazione e ricombinazione del DNA in futuro potrebbe aiutare a spiegare l'origine di alcune variazioni genetiche e il motivo per cui alcuni rischi di malattia subiscono cambiamenti complessi nell'eredità familiare.
Con il continuo progresso della tecnologia di sequenziamento, gli scienziati stanno gradualmente scoprendo che il processo di formazione della diversità genetica umana è molto più complesso di quanto si pensasse in precedenza. Questo studio dimostra che alcuni importanti cambiamenti che determinano le differenze genetiche della prole potrebbero essersi verificati silenziosamente molti anni prima che lo sperma entrasse nella fase finale di maturazione.
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