Il DNA antico Marilena Cipollaro
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Il DNA antico Marilena Cipollaro Alcune delle domande cui l’uomo, spinto umana, ma anche animale e vegetale. dall’innata curiosità di conoscere le proprie La tecnica che ha permesso di ottenere tali origini, vorrebbe poter rispondere nella risultati è costituta dalla PCR (Polymerase maniera più obiettiva riguardano la Chain Reaction), che consente, partendo anche ricostruzione sia dell’organizzazione sociale, da una sola molecola di DNA, di ottenere che delle migrazioni, sia delle espansioni che miliardi di nuove molecole tutte identiche a delle estinzioni delle popolazioni umane del quella originale. È diventato così possibile lo passato. A queste domande si può in parte studio sia di geni nucleari, che seguono regole rispondere attingendo informazioni dalle di ereditarietà mendeliana, sia di geni testimonianze scritte e dal patrimonio mitocondriali (mtDNA) ereditati solo per via culturale. L’osservazione dei resti umani delle materna, utilizzando campioni di aDNA di popolazioni antiche attraverso un esame diversa provenienza e differente datazione. morfologico e morfometrico può contribuire a Le prime ricerche si possono far risalire al rispondere, anche se talvolta con un margine di 1984 quando alcuni ricercatori [1] di Berkeley errore intrinseco piuttosto elevato, a domande riuscirono a clonare il DNA mitocondriale che riguardano il sesso, il tipo di alimentazione estratto dalla cute del quagga, un membro e le patologie presenti in epoche passate. della famiglia Equus simile alla zebra attuale, La conoscenza di eventi che è impossibile estintosi in Africa meridionale più di un ricostruire solo sulla base delle tradizioni secolo fa. Questa scoperta ha rappresentato scritte ed orali proprie delle scienze umane è il primo recupero di una sequenza di DNA divenuta oggi più facilmente accessibile in antico filogeneticamente informativa ed ha seguito alla scoperta che nei tessuti antichi permesso, attraverso l’analisi comparativa di può essere ancora ritrovato, anche se questa sequenza con quelle di zebre attuali, frammentato ed in quantità molto ridotta, di dimostrare che il quagga aveva una il DNA. Nell’analisi di resti antichi questa notevole affinità con la zebra e di gran lunga molecola, oltre ad essere depositaria inferiore con altri equidi. dell’informazione genetica, assume anche il L’anno successivo il gruppo di Paabo, un ruolo di portatrice di molteplici altre ricercatore svedese, riuscì ad estrarre e a informazioni che si possono desumere dalla studiare il DNA di una mummia egizia sua sequenza nucleotidica con l’applicazione risalente a 4400 anni or sono [2]. Questa di particolari modelli matematici ed algoritmi in scoperta ha dimostrato che il DNA può cui una delle variabili è il tempo e, più in conservarsi per lunghi periodi di tempo. particolare, l’età del reperto. In tal modo il DNA Nel 1988 fu, per la prima volta, applicata al antico (aDNA) diventa uno strumento per poter DNA umano antico la reazione a catena della studiare l’origine di determinate popolazioni, polimerasi, amplificando un frammento di portando quindi un notevole contributo alla DNA mitocondriale estratto da un cervello storia evolutiva degli esseri viventi. umano di circa 7000 anni, conservato a Little Negli ultimi decenni, grazie alle tecniche di Salt Spring, in Florida [3]. biologia molecolare, si sono accumulati Il passo successivo fu eseguito da alcuni moltissimi dati su resti antichi di origine ricercatori di Oxford [4] che nel 1994 24 PNEUMORAMA 42 / XII / 1-2006
studiarono il DNA estratto dalle ossa umane
dei resti presunti della famiglia dello Zar
Nicola II, affrontando sperimentalmente il
problema del riconoscimento dei vari membri
Collana
della famiglia e l’esclusione di altri individui
che erano stati ritrovati assieme con essi
nella stessa caverna.
i Sillabi
Nel 1995 furono pubblicati dati sul in
libre
ritrovamento di spore fungine sui calzari i Sillabi numero 1 ria
dell’uomo di Similaun, un corpo umano American College of Chest Physicians
Pulmonary
mummificato di 5000 anni fa che fu ritrovato Board Review
BPCO
nel 1991 nel comprensorio del Comune di
Senales presso Merano a 3270 metri di quota.
Nel 1997 furono pubblicati i risultati dello Broncopneumopatia Cronica Ostruttiva
studio del DNA estratto dal Mammuthus
primigenius estintosi diversi milioni di anni fa.
Sidney S. Braman
Fece anche molto clamore la pubblicazione
delle sequenze di DNA mitocondriale ottenute
da un reperto osseo di un uomo di Neandertal.
Gli autori confermarono l’ipotesi già sostenuta
dagli antropologi secondo la quale l’Homo
sapiens sapiens non discende dall’Homo ima
pross a
uscit i Sillabi
neandertalensis [5]. i Sillabi numero 3 numero 4
Nel 1997 furono pubblicati i primi dati American College of Chest Phys
icians American Co
Pulmonarllege of Chest Physicians
Pulmonary Board Rev y
sull’analisi dell’aDNA estratto da reperti ossei Board Review iew
di Pompei ed Ercolano [6], ricerche proseguite
fino ad oggi [7,8,9,10]. Alcune di queste ricerche Disordini Supporto
del sonno e Ventilatorio
respirazione Meccanico
riguardanti Pompei sono illustrate di seguito.
Bruce P. Kr
Alejandro D. Chediak ieger
Principali domande cui può i Sillabi
rispondere lo studio dell’aDNA American Co
numero 2
Pulmonarllege of Chest Physicians
Board Rev y
Determinazione del sesso: iew
Quando, per le cattive condizioni o Fibrosi
IdiopaticPa,olmonare
l’incompletezza di un reperto umano non si Polmon
Interstiziitale/Fibrosi
riesce ad evincerne il sesso, l’analisi del DNA Specifica e e Non
diventa l’unica risorsa possibile. Il gene che Sarcoidosi
Joseph P. Ly
nch III
codifica per l’amelogenina, una proteina che
partecipa alla formazione della dentina.
È presente, con sequenza nucleotidica
parzialmente diversa, sia sul cromosoma X che
sul cromosoma Y. L’amplificazione, attraverso
la PCR, proprio del tratto che presenta tali Per informazioni:
differenze permette di discriminare tra i due MIDIA srl
cromosomi. Per la determinazione del sesso Tel. 039 2304440 - Fax 039 2304442
viene anche amplificato un frammento midia@midiaonline.it - www.midiaonline.it
specifico per il cromosoma Y: solo negli
individui di sesso maschile sarà quindi
presente un frammento amplificato.
PNEUMORAMA 42 / XII / 1-2006 25Origine etnica moderno proveniente in genere da procedure
Il genoma mitocondriale [10] è contenuto nei non corrette adottate o in laboratorio oppure
mitocondri, organelli citoplasmatici di dalla manipolazione dei reperti nelle fasi di
antichissima origine endosimbiotica, la cui scavo. Mentre il problema delle
funzione primaria è di fornire energia alla contaminazioni da DNA esogeno viene
cellula attraverso la fosforilazione ossidativa. affrontato assumendo in laboratorio
Il DNA mitocondriale (mtDNA) è estesamente precauzioni sempre più accurate da parte
e proficuamente utilizzato per comprendere dell’operatore ed utilizzando ambienti e
la storia evolutiva della nostra specie e la strumentazione dedicati, la prova che il
dinamica delle migrazioni delle popolazioni. materiale in studio sia in effetti DNA
Esso è presente in gran numero di copie e per endogeno può essere fornita solo da evidenze
questo, a differenza di quanto avviene per i sperimentali diverse ed indipendenti.
geni nucleari di cui si hanno solo due copie Anche la grande frammentazione del DNA
per cellula, esiste una elevata probabilità di contenuto in reperti archeologici limita
ritrovarlo ancora in campioni antichi. l’analisi genetica a tratti di molecole di DNA
Nell’uomo l’mtDNA consiste di molecole relativamente piccoli (100-200 nucleotidi).
circolari chiuse di DNA a doppia elica lunghe Accanto ai problemi di contaminazione, vi
16.569 coppie di basi (bp), che corrispondono sono anche i problemi connessi alla vita
allo 0,0006% del genoma totale. media stessa delle molecole di DNA
Il tasso di mutazione elevato e la trasmissione fortemente dipendente dalle condizioni di
ereditaria per via materna permettono di conservazione del reperto. Gli acidi nucleici
studiare le relazioni matrilineari nelle vanno incontro, infatti, a decomposizione
popolazioni umane. spontanea [12]: nel caso del DNA il
Le regioni del DNA mitocondriale che sono meccanismo che influisce principalmente
attualmente considerate validi marcatori sulla sua degradazione è la depurinazione.
etnici sono rappresentate da due siti D’altra parte sono numerosi i parametri fisici
ipervariabili presenti nella regione di quali temperatura, valore del pH, anossia e
controllo della sua replicazione: il segmento I, disidratazione, conosciuti essere in relazione
che si estende dal nucleotide 16.024 al diretta con le alterazioni della doppia elica del
nucleotide 16.400, ed il segmento II che si DNA, che possono contribuire anche
estende dal nucleotide 40 al nucleotide 390. notevolmente a modificarne la vita media.
I numerosi siti polimorfici permettono di L’alta temperatura ed un valore acido del pH,
distinguere diverse etnie. ad esempio, favoriscono la rottura dei
filamenti del DNA, mentre invece l’anossia e
Rapporti di parentela la disidratazione favoriscono la sua
Le tecniche di biologia molecolare conservazione.
permettono oggi, attraverso lo studio di Lo stato di conservazione del reperto osseo è
opportuni marcatori genetici, i microsatelliti, valutabile attraverso l’osservazione al
di ricostruire anche interi alberi genealogici microscopio. Le alterazioni del tessuto osseo
[11]. Le sequenze microsatelliti presenti sul derivano soprattutto dalle condizioni
DNA nucleare vengono infatti ereditate con ambientali di seppellimento che ne
modalità mendeliana ed il loro numero varia determinano la colonizzazione da parte di
tra individui della stessa specie. microrganismi (batteri e/o muffe) che in
genere ne stravolgono la struttura.
In presenza di un osso ben conservato sarà
Come si affronta lo studio dell’aDNA molto più alta la probabilità di trovare
e la sua autenticazione molecole di acidi nucleici all’interno degli
I problemi più specifici legati all’analisi osteociti ancora presenti; viceversa un
dell’aDNA riguardano fondamentalmente tessuto osseo completamente alterato non
l’autenticità del DNA estratto dal reperto e la fornirà presumibilmente tracce consistenti di
possibilità di contaminazioni da DNA esogeno aDNA. Risulta evidente che il successo
26 PNEUMORAMA 42 / XII / 1-2006dell’amplificazione di un DNA proveniente da Il sito archeologico di Pompei
un osso completamente alterato é una prova
Durante le prime dodici ore dall’inizio
a sfavore della origine endogena di quel DNA.
dell’eruzione del Vesuvio nel 79 d.C. la città di
Pretrattamento dei campioni ed estrazione Pompei venne ricoperta da una coltre di
del DNA pomici spessa alcuni metri, il cui peso
I reperti ossei devono essere maneggiati con provocò il crollo parziale di molti edifici e
estrema attenzione con l’ausilio di guanti a della maggior parte delle coperture. Durante
perdere e di mascherine per evitare ogni la notte i primi flussi piroclastici raggiunsero
possibile contaminazione. L’osso viene pulito Ercolano seppellendo completamente gli
con una spazzola abrasiva, trattato con edifici. Solo la mattina successiva nuovi flussi
ipoclorito di sodio e, successivamente, raggiunsero Pompei causandone la
esposto ai raggi UV per 10 minuti a 20 cm di distruzione definitiva.
distanza per danneggiare, attraverso la Reperti ossei, provenienti da diverse
formazione dei dimeri di Timina, e rendere di centinaia di individui, sono stati rinvenuti
conseguenza non amplificabile, ogni forma di testimoniando da un lato la drammaticità
DNA “contaminante” eventualmente presente della fuga e i diversi momenti della decisione
sulla superficie dell’osso. di sottrarsi alla catastrofe, e suggerendo che
Con l’ausilio poi di un trapano fornito di fresa alcuni superstiti, tornati forse per recuperare
o di un seghetto metallico, si ricavano i oggetti cari o preziosi, fossero stati seppelliti
frammenti che serviranno per l’esame in una successiva fase dell’eruzione.
istologico e la fase successiva di estrazione. L’interesse per i resti umani di Pompei ed
In letteratura vengono descritti diversi Ercolano risale al 1834, quando il re di Napoli
protocolli di estrazione ma la scelta del Ferdinando I nominò il Prof. Antonio Nanula
protocollo deve essere ottimizzata rispetto direttore del Museo di Anatomia ed accettò
alle caratteristiche del sito archeologico di da questi la collezione di reperti come regalo
ritrovamento. per il Museo. Tra i reperti che costituivano la
Reazione a catena della polimerasi collezione c’era il primo gruppo di crani.
Più tardi il Re permise al Prof. Stefano
La reazione a catena della polimerasi (PCR)
ha rivoluzionato la sperimentazione rivolta a Delle Chiaie, professore di Anatomia
risolvere problemi legati alla struttura ed alla Comparata presso l’Università di Napoli,
sequenza del DNA. Essa costituisce la chiave di spostare altri crani da Pompei al museo.
per comprendere sia la complessità di una La collezione include oggi anche alcuni crani
singola cellula sia l’evoluzione delle specie provenienti da San Paolo Belsito, località che
[13]. Questa tecnologia ha permesso di fu interessata dall’eruzione pliniana del
affrontare questioni che vanno Vesuvio del 3800 a.C. Pochi anni dopo,
dall’identificazione di nuovi geni e patogeni, Giustiniano Nicolucci, professore di Anatomia
fino alla quantizzazione di sequenze presso la Scuola Medica dell’Università di
nucleotidiche specifiche e si é rivelata Napoli pubblicò un manoscritto intitolato;
essenziale per lo studio dei DNA antichi, “Crania Pompeiana ovvero Descrizione dei
soprattutto grazie alla sua estrema Crani umani rinvenuti fra le ruine dell’antica
sensibilità. Anche una sola molecola (o poche Pompei” che conteneva le prime valutazioni
molecole) rimasta intatta in un antico tessuto antropometriche effettuate sui crani.
può essere amplificata dalla reazione a Non si hanno notizie di altri studi effettuati
catena della polimerasi, mentre le molecole sui resti umani di Pompei o di Ercolano fino al
danneggiate, che possono essere migliaia di 1982 quando la dottoressa Sara Bisel
volte più numerose, non disturbano ricercatrice dello Smithsonian Institute iniziò
l’esperimento. I frammenti di DNA da a studiare gli scheletri di Ercolano
amplificare devono essere più corti di 300 raccogliendo dati sia sulla morfologia che
coppie di basi. sulla morfometria che sul contenuto di
28 PNEUMORAMA 42 / XII / 1-2006metalli. Sfortunatamente solo pochi dati nucleotidiche di aDNA relative a particolari
relativi alle sue ricerche sono stati pubblicati. caratteri genetici con le sequenze
La collaborazione che ha in oggetto lo studio nucleotidiche corrispondenti di popolazioni
del DNA antico tra il gruppo di Biologia attuali.
Molecolare della 2.a Università di Napoli e la Si presenta quindi concretamente la
Soprintendenza di Pompei inizia nel 1996 con possibilità di effettuare un’indagine genetica
lo studio del DNA estratto dai tredici scheletri su una popolazione antica. Questa indagine
rinvenuti in una casa di Via dell’Abbondanza in linea di principio permetterà non solo di
quella di Caius Iulius Polibyus. confermare specifiche patologie che trovino
All’inizio di questa ricerca i dubbi sulla riscontro nella struttura del reperto osseo e di
persistenza del DNA negli osteociti di questi studiare la distribuzione delle patologie
individui erano molto forti; eravamo genetiche più comuni, ma di acquisire notizie
particolarmente preoccupati in particolare dei certe circa il popolamento di una determinata
valori di temperatura raggiunti durante area geografica.
l’eruzione e delle condizioni di seppellimento. Lo studio del gruppo di ricerca da me
Il ritrovamento di DNA antico in dodici sui coordinato prevede l’analisi del DNA estratto
tredici individui analizzati provocò grande da reperti ossei della popolazione di Pompei
entusiasmo tra i ricercatori che avevano sepolta dall’eruzione del Vesuvio del 79 d.C.
collaborato al progetto e ci spinse ad L’analisi dell’aDNA ha riguardato finora lo
interagire direttamente con i vulcanologi che studio di alcuni individui rinvenuti nella casa
stavano contemporaneamente studiando la di Caius Iulius Polybius ubicata in via
dinamica dell’eruzione e del seppellimento dell’Abbondanza in Pompei il cui scavo,
all’interno della stessa casa per trovare una
iniziato nel 1910, fu ripreso nel 1966 ed
possibile spiegazione del buono stato di
ultimato nel 1978.
conservazione dei tessuti ossei come si poteva
I reperti umani trovati all’interno della “Casa
desumere dall’osservazione al microscopio.
di Polibio” sono costituiti complessivamente
Il ritrovamento di una particolare forma di
da tredici scheletri. La posizione in cui alcuni
lapilli (lapilli accrezionali) che coprivano gli
di essi furono rinvenuti, come riportato nei
scheletri nella casa di Polibio e la conoscenza
quaderni di scavo, suggerisce l’esistenza di
delle condizioni fisiche che ne determinano la
formazione ci sembrò fornire una spiegazione una stretta relazione di parentela. Ad
molto convincente per spiegare il buono stato esempio due degli scheletri furono ritrovati
di conservazione. I lapilli accrezionali sono mano nella mano ed è anche raffigurata la
infatti aggregati di cenere che si formano a posizione dello scheletro di una giovane
contatto con l’acqua; il vapore d’acqua e, donna vicino alla quale furono ritrovati i resti
quindi una temperatura superiore ai 100 °C, di un feto, molto probabilmente un figlio suo.
non avrebbe permesso la loro formazione. Il primo compito degli antropologi che hanno
Per finire, il Vesuvio coprì con 4/10 metri di collaborato alla ricerca è stato quello di
materiale piroclastico l’intera città e questo ricostruire gli scheletri e, qualora possibile, di
mantello di spessore incredibile ha stimare per ciascuno di essi l’età ed il sesso e
preservato i resti per i 2000 anni successivi. di individuare eventuali patologie ossee e
Per quanto riguarda lo studio dell’evoluzione dentarie.
molecolare, questi reperti hanno un valore I risultati degli esami istologici hanno
assolutamente eccezionale perché sono un mostrato un differente grado di
campione casuale di una popolazione umana, conservazione. Buona parte di essi mostra
datato con assoluta precisione, unico al una struttura ossea parzialmente alterata con
mondo per la peculiarità degli eventi una regione periferica in buono stato con la
catastrofici che hanno determinato la morte presenza di numerosi osteciti e osteoni
improvvisa della popolazione residente. secondari. Qualcuno di essi mostra una
Questa caratteristica di casualità rende struttura ossea talmente ben conservata da
possibile il confronto di sequenze essere indistinguibile da un osso fresco.
PNEUMORAMA 42 / XII / 1-2006 29Qualcun altro risulta, invece, essere Bibliografia
completamente alterato. Abbiamo trovato [1] Higuchi R, Bowman B, Freiberger M, Ryder OA,
una correlazione diretta tra lo stato di and Wilson AC. DNA sequences from the quagga,
conservazione del tessuto osseo e an extinct member of the horse family. Nature
l’amplificabilità del DNA da essi estratto. 1984; 312: 282-284.
Sulla base dei dati vulcanologici la [2] Paabo S. Molecular cloning of Ancient Egyptian
temperatura raggiunta durante gli eventi mummy DNA. Nature 1985; 314: 44-645.
eruttivi, per quanto riguarda la casa di [3] Paabo S, Gifford JA, Wilson AC. Mitichondrial
Polibio, non ha superato 100°C. Infatti, la DNA sequences from a 7000 ears od brain. N.A.R.
ricostruzione della dinamica dell’eruzione ha 1988; 16 (20): 9775-9787.
permesso di stabilire la presenza di lapilli [4] Gill P, Ivanov PL, Kimpton C, Piercy R, Benson N,
accrezionali formatisi in seguito al contatto Tully G, Evett I, Hagelberg E, and Sullivan K.
della cenere con l’acqua condensata. Se la Identification of the remains of the Romanov family
by DNA analysis. Nature Genetics 1994; 6: 130-135.
temperatura fosse stata più elevata, l’acqua,
sotto forma di vapore non avrebbe [5] Krings M, Stone A, Schmitz RW, Krainitzki H,
Stoneking M, and Paabo S. Neandertal DNA
partecipato alla formazione delle accrezioni.
sequences and the origin of modern humans.
Probabilmente anche la disidratazione dei Cell 1997; 90: 19-30.
tessuti, conseguente all’innalzamento della
[6] Cipollaro M, Di Bernardo G, Galano G, Galderisi U,
temperatura, ha favorito la conservazione Guarino F, Angelini F, and Cascino A. “Ancient DNA
degli acidi nucleici. in human bone remains from Pompeii
Dai dati ottenuti con l’amplificazione del archaeological site”, Biochem Biophys Res
locus per l’amelogenina, 4 di questi soggetti Commun. 1998; 247 (3): 901-904.
sono risultati maschi e 7 femmine. I primi dati [7] Di Bernardo G, Del Gaudio S, Cammarota M,
sul DNA mitocondriale fanno ritenere che essi Galderisi U, Cascino A, and cipollaro M. “Enzymatic
appartengono tutti ad una etnia riconducibile repair of selected crosslinked homoduplex
a quelle presenti in Europa nonostante la molecules enhances nuclear gene rescue from
Pompeii and Herculaneum remains”, Nucleic Acids
notevole altezza di alcuni individui di sesso
Res. 2002; 30: 4 e 16.
maschile avesse suggerito l’appartenenza ad
[8] Di Bernardo G, Galderisi U, Del Gaudio S,
etnie sub-sahariane. I dati su sequenze
D’Aniello A, Lanave C, De Robertis MT, Cascino A,
microsatelliti ottenuti finora hanno permesso and Cipollaro M. “Genetic characterization of
di costruire un possibile albero genealogico Pompeii and Herculaneum Equidae buried by
che vede i soggetti più giovani tra cui un Vesuvius in 79 A.D.” J. Cell. Physiol. 2004; 199:
bambino di circa due anni imparentati per via 200-205.
materna perché essi mostrano un DNA [9] Cipollaro M, e Di Bernardo Giovanni
mitocondriale identico. Lo studio, ancora in “Ash preserved DNA in pompeian equids buried by
corso, si propone di completare l’analisi dei the Vesuvius eruption of A. D. 79: ”Atti della
vari microsatelliti selezionati ed il Accademia Nazionale dei Lincei” 2004; 9 15:
sequenziamento dei segmenti ipervariabili 151-157.
del DNA mitocondriale. Le stesse indagini [10] Anderson S, Bankier AT, Barrell BG, de Bruijn HL,
Coulson AR, Drouin J, Eperon IC, Nierlich DP,
saranno eseguite su altri reperti rinvenuti a
Roe BA, Sanger F, Schreier PH, Smith AJH, Staden R,
Pompei ed a Murecine, un sito che si trova nel and Young IG. Sequence and organization of the
comprensorio di Pompei dove, in due edifici human mitochondrial genome. Nature 1981; 290:
venuti alla luce durante uno scavo per un 457-465.
raccordo autostradale, sono stati [11] Pena SDJ, and Chakraborty R. Paternity testing
recentemente ritrovati altri resti umani. in the DNA era. T.I.G. 1994; 10 (6): 204-209.
L’amplificazione di altri geni di particolare [12] Lindahl T. Instability and decay of the primary
interesse per malattie genetiche presenti nel structure of DNA. Nature 1993; 362: 709-715.
Mediterraneo permetterà di indagare oltre [13] Erlich HA, Gelfand D, and Sninsky JJ. Recent
che sulle migrazioni di popolazioni anche advances in the polymerase chain reaction.
sull’evoluzione di tali geni. Science 1991; 252: 1643-1651.
30 PNEUMORAMA 42 / XII / 1-2006Puoi anche leggere
