Dolly insieme al suo "padrino", il ricercatore Ian Wilmut (Photo courtesy of The Roslin Institute, The University of Edinburgh).
Il dogma del differenziamento cellulare
La massa interna di un embrione ai primi giorni di sviluppo è formata da cellule pluripotenti, da cui derivano tutti i tessuti di un organismo. Via via che lo sviluppo prosegue, queste cellule si dividono e vengono indirizzate verso uno specifico destino: nascono così cellule specializzate come i neuroni, i globuli rossi o gli epatociti.
In base al dogma del differenziamento cellulare, la specializzazione di una cellula è un processo irreversibile e unidirezionale. Un concetto illustrato dal modello di Waddington: una cellula in via di differenziamento assomiglia a un sasso che rotoli giù da un pendio. Scendendo, può imboccare scanalature diverse nel terreno (i diversi tipi di differenziamento), ma una volta intrapreso un percorso non potrà mai tornare indietro e imboccare un’altra strada; proprio come un sasso non potrà mai - autonomamente - vincere la forza di gravità, risalire il pendio e scivolare lungo un percorso diverso.
Questo modello è ancora valido per descrivere il differenziamento in condizioni fisiologiche, ma i recenti studi sulla clonazione o la generazione di cellule iPS dimostrano che non è un dogma inviolabile.
La strada che ha portato a Dolly
I primi esperimenti di trasferimento nucleare risalgono al 1952, quando Robert Briggs e Thomas King rimuovono il nucleo da una cellula uovo non fecondata di Rana pipiens e lo sostituiscono con il nucleo di cellule di blastula (uno stadio embrionale più avanzato). Alcune uova sopravvivono alla fase successiva e, dividendosi, danno origine a girini vitali. L’abilità tecnica di Briggs e King fa da trampolino di lancio all’audacia di John Gurdon che, alla fine degli anni Sessanta, testa per primo la clonazione di cellule somatiche adulte. Dopo aver rimosso il nucleo da una cellula uovo di rana, Gurdon lo rimpiazza con quello prelevato da una cellula intestinale terminalmente differenziata. La cellula uovo così modificata si sviluppa in un girino normale. Con questo esperimento Gurdon dimostra che la clonazione ha successo anche se il materiale genetico proviene da cellule già mature e sovverte il dogma del differenziamento cellulare. Per la prima volta si fa strada l’idea che la specializzazione di una cellula sia - dal punto di vista genetico - un processo reversibile. Il DNA di una cellula contiene quindi le informazioni genetiche necessarie a formare un organismo completo.
Per ripercorrere le principali tappe degli esperimenti di clonazione, consulta questa pagina di Learn Genetics della University of Utah (in inglese).
Questi risultati sono valsi a Gurdon il premio Nobel per la fisiologia e medicina nel 2012 (condivisio con Shinya Yamanaka, il padre delle cellule iPS), ma mancava ancora qualcosa. Nel tessuto intestinale utilizzato per l’esperimento potevano essere presenti anche cellule staminali indifferenziate (e, di conseguenza, i loro nuclei). Questo limite sperimentale rendeva le conclusioni di Gurdon non definitive. A renderle tali arriva, più di trent’anni dopo, arriva l’annuncio dei ricercatori del Rosling Institute of Scotland. Con un articolo su Nature, gli scienziati comunicano al mondo che il 5 luglio del 1996 è nata Dolly, la dimostrazione vivente che è possibile clonare un animale adulto partendo da un tessuto terminalmente differenziato. Il dogma del differenziamento si sbriciola definitivamente.
L'agnellino Dolly insieme alla madre surrogata, una pecora Blackface (Photo courtesy of The Roslin Institute, The University of Edinburgh).
Che cosa significa clonare?
Il verbo clonare si riferisce alla produzione di copie geneticamente identiche. Questa procedura può però assumere significati diversi a seconda del contesto.
Con la tecnologia del DNA ricombinante si possono generare migliaia di copie identiche di una sequenza genica. Questo processo, indicato anche come amplificazione genica, è spesso seguito dall’isolamento del frammento di interesse e dal suo inserimento in un vettore (per esempio, per studiare la proteina codificata da quel gene). L’insieme di queste procedure viene generalmente indicato come clonaggio genico o clonaggio di DNA.
È possibile generare copie geneticamente identiche anche di una cellula o, come Dolly ci ha insegnato, di interi organismi. Nell’ambito della biologia dello sviluppo, questo processo prende il nome di clonazione (di cellule o organismi). In questo ambito, si distingue la clonazione riproduttiva, volta a creare organismi identici, dalla clonazione terapeutica, il cui obiettivo è quello di generare embrioni da cui ottenere in vitro tessuti o organi da utilizzare per trapianti.
La tecnica: come funziona il trasferimento nucleare?
Per clonare Dolly i ricercatori del Rosling Institute hanno utilizzato la tecnica del trasferimento nucleare, indicata spesso con la sigla SCNT (Somatic Cell Nuclear Transfer). Il punto di partenza è infatti una cellula somatica prelevata da un individuo adulto, quello prescelto per essere clonato. Nel caso di Dolly i ricercatori hanno prelevato il nucleo da una cellula di tessuto mammamario di una pecora Finn Dorset e lo hanno iniettato nell’oocita non fecondato di una pecora Scottish Blackface. Per mantenere costante il contenuto di DNA della cellula e permettere uno sviluppo normale, l’oocita era stato a sua volta privato del nucleo. La fusione del nucleo di cellula mammaria con l’oocita anucleato ha dato origine a una cellula diploide che, dividendosi, ha generato un embrione, trasferito poi nell’utero di una terza pecora (madre surrogata). Il 5 luglio 1996 è nato un agnellino, battezzato Dolly in onore di Dolly Parton, una delle più famose cantanti country di tutti i tempi.
Il trasferimento nucleare applicato alla clonazione di Dolly (Immagine: Wikimedia Commons).
Dolly è davvero un clone?
La formazione di un nuovo individuo richiede due tipi di DNA: il DNA nucleare (nDNA), sede della maggior parte dei geni di una cellula, e il DNA mitocondriale (mtDNA), contenuto all’interno dei mitocondri. Salvo rare eccezioni, il processo di fecondazione fa sì che lo zigote riceva in dote solo e soltanto i mitocondri materni. Quindi tutto l’mtDNA è quindi trasmesso per via matrilineare.
Anche nel caso di Dolly è molto probabile che a essere trasferito sia stato solo il DNA nucleare, mentre il DNA mitocondriale proveniva dall’oocita ricevente. Anche se la questione è ancora oggetto di studi, si può dire che Dolly è un vero clone dal punto di vista del DNA genomico, ma non lo è per quanto riguarda il DNA mitocondriale.
Vita da Dolly
Non appena la nascita di Dolly è stata condivisa con la comunità scientifica, tutti hanno iniziato a seguire con apprensione il suo stato di salute. Un primo campanello d’allarme è arrivato con la scoperta che i telomeri di Dolly erano più corti rispetto alle pecore della sua stessa età. La lunghezza dei telomeri è un indice del numero di divisioni subìto da una cellula e correla con l’invecchiamento dei tessuti. Geneticamente parlando, era come se Dolly, oltre alla sua età anagrafica, portasse sulle spalle il peso degli anni già vissuti dalla pecora da cui era stata clonata. Subito si lanciò l’allarme: gli animali clonati invecchiano più precocemente. La verità è che, dopo anni di indagine, i telomeri più corti di Dolly non sembrano aver avuto ricadute sulla sua salute e anche esperimenti successivi hanno dimostrato che i cloni di pecora non hanno una salute più cagionevole. È però vero che Dolly ha sviluppato piuttosto precocemente una forma di osteoartrite osservata di solito in pecore più anziane. C’è però chi sostiene che questa malattia abbia poco a che vedere con la clonazione. Piuttosto, è un disturbo che si manifesta di frequente nelle pecore che non vivono libere nei campi, ma trascorrono molto tempo al chiuso su pavimenti duri. Questo è stato infatti il caso di Dolly, tenuta a lungo lontano dai pascoli anche per proteggerla dalle minacce degli attivisti anti-clonazione.
Dolly ritratta insieme a Bonnie, il primo dei sei agnellini che la pecora Dolly partorì durante la sua vita (Photo courtesy of The Roslin Institute, The University of Edinburgh).
Dolly e il dibattito etico
Dolly è stato il primo mammifero clonato. Ma, a vent’anni dalla sua nascita, questa definizione non rende giustizia di tutto quello che Dolly ha rappresentato non solo per chi fa parte della comunità scientifica, ma anche per chi ne ha semplicemente seguito le vicende dalle testate dei giornali. Con Dolly è stato detto che la scienza aveva definitivamente superato un limite etico inviolabile. C’è chi, fin dalle prime settimane, ha pensato che la clonazione umana fosse già dietro l’angolo, pronta a minare valori sacri di un individuo, come l'indipendenza e il diritto all'autodeterminazione. Eppure, a vent’anni da quel giorno, sappiamo ora che la clonazione è un processo molto difficile, con una percentuale di efficienza bassissima. La pubblicazione della clonazione di embrioni umani da parte dello scienziato sud-coreano Hwang Woo-Suk si è rivelata fraudolenta, così come del tutto infondata la clonazione del primo essere umano da parte della setta dei Raeliani.L'eredità di Dolly
Nonostante la clonazione rimanga una tecnica poco versatile e poco efficiente, con Dolly ha preso avvio il filone della clonazione animale. Maiali, capre, cavalli, gatti e tori sono solo alcuni esempi delle specie che da allora sono state clonate e c’è chi vede in questa tecnologia una possibile ancora di salvezza per le specie in via di estinzione. Ma anche in questo c’è un limite. Scenari alla Jurassic Park rimangono irrealizzabili e il progetto di clonare un mammut partendo da frammenti del suo DNA è ancora troppo lontano dalle realtà. Anche disponendo di DNA integro, non esistono per queste specie estinte madri surrogate della stessa specie. E questo è un dettaglio tutt’altro che secondario, come dimostra l’esperimento con l’ibex dei Pirenei. Nel tentativo di clonare questa capra selvatica (estinta nel 2000) è stata utilizzata come madre surrogata una capra simile, ma non identica, e l’ibex clonato è morto poco dopo la nascita. Le potenzialità di questa tecnica potrebbero essere maggiori se applicate a specie a rischio di estinzione, ma con ancora un certo numero di esemplari vivi. La vera eredità di Dolly va però oltre la clonazione in quanto tale. Più di ogni altra cosa, Dolly ha scosso la rigidità del dogma del differenziamento e ha dimostrato che lo sviluppo non intacca il potenziale del materiale genetico. La specializzazione avviene per espressione selettiva di determinati geni ma, all’occorrenza, anche i geni spenti possono essere riattivati. Tutti questi risultati hanno dato lo spunto ad altri studi, come quello che ha portato alla generazione delle cellule pluripotenti indotte (iPS): queste cellule sono la dimostrazione più eclatante della possibilità di riprogrammare una cellula differenziata e nessuno meglio di loro può raccogliere il testimone di Dolly. -- Immagine box: Photo courtesy of The Roslin Institute, The University of Edinburgh Immagine banner: Photo courtesy of The Roslin Institute, The University of Edinburgh
