Genetica equina: sequenziamento del DNA per diagnosi e terapie

Il sequenziamento genico nei cavalli

L’avvento e l’applicazione dei metodi di Next Generation Sequecing (NGS) o Sequenziamento di nuova generazione rappresentano una seconda rivoluzione per lo studio della genetica equina, consentendo ai ricercatori di sfruttare ed esplorare le informazioni codificate nel genoma equino attraverso i loro esperimenti. Le tecniche NGS ha anche migliorato la capacità dei ricercatori di tradurre le loro scoperte in applicazioni clinicamente rilevanti. Questo articolo fornisce una panoramica della storia e dello sviluppo del NGS, descrive alcune delle piattaforme di sequenziamento disponibili e descrive le applicazioni attualmente disponibili nel contesto sia della scoperta che degli ambienti clinici.

Ma cosa significa sequenziare un genoma e a cosa può servire?

Sequenziare un genoma significa determinare l’ordine preciso delle basi azotate che compongono il DNA di un organismo. Esso è costituito da quattro basi azotate: adenina (A), citosina (C), guanina (G) e timina (T). La sequenza di queste basi azotate nel DNA determina le istruzioni genetiche che guidano lo sviluppo, la funzione e il comportamento di un organismo. (Scopri di più sulla struttura del DNA e sul sequenziamento genico leggendo il nostro articolo “Il sequenziamento del genoma per predire le prestazioni del cavallo“)

Il processo di sequenziamento del genoma coinvolge l’analisi di frammenti di DNA per determinare l’ordine esatto delle basi azotate di ciascun frammento. Questo viene fatto utilizzando tecniche avanzate di laboratorio, spesso basate sulle tecnologie di sequenziamento del DNA di nuova generazione (Next Generation Sequencing – NGS), che consentono di leggere rapidamente e accuratamente le sequenze di DNA.

Il sequenziamento del genoma è fondamentale per la comprensione della biologia, dell’evoluzione e delle malattie, poiché fornisce informazioni dettagliate sulle caratteristiche genetiche di un organismo. Questo processo ha rivoluzionato la ricerca biologica e medica, consentendo agli scienziati di identificare geni, varianti genetiche e meccanismi di malattia, nonché di sviluppare terapie mirate e personalizzate.

La sequenza e l’assemblaggio di un genoma di riferimento per il cavallo hanno rivoluzionato l’indagine sulla salute e sulle performance dei cavalli. Da quando è stata pubblicata, il genoma di riferimento ha migliorato e accelerato la ricerca genetica nel cavallo, portando allo sviluppo di nuove idee riguardanti la gestione e la medicina di precisione, e ha dato origine a potenti strumenti che hanno aumentato la portata e la risoluzione della comprensione delle basi genetiche della fisiologia equina e della patologia delle malattie. Le intuizioni acquisite sulla salute equina grazie a questi nuovi strumenti e idee sono espertamente esaminate negli articoli correlati a questo numero speciale.

Con gli strumenti ora disponibili e il perfezionamento delle tecniche di NGS, il sequenziamento dell’intero genoma di un cavallo è ora comunemente eseguito tramite. Questo tipo di sequenziamento può consentire l’identificazione di variazioni ereditate o mutazioni de novo associate a una particolare malattia. Il sequenziamento del genoma completo nel cavallo ha permesso la scoperta di variazioni che possono essere analizzate per identificare il rischio di malattia o per fare diagnosi.

Un’alternativa pratica al sequenziamento del genoma completo può essere il sequenziamento solo dell’esoma (detto i gerco trascrittoma). Gli esoni sono le regioni del genoma che codificano per gli esoni dei geni codificanti per le proteine. Questo approccio richiede che la sequenza esonica venga catturata (sia in soluzione che su un array) per preparare il DNA per il sequenziamento. Poiché la regione da sequenziare è ridotta rispetto all’intero genoma, questo approccio può consentire a un ricercatore di generare sequenze da un numero maggiore di individui.

Prospettive future delle nuove tecniche di sequenziamento del DNA

Il grado di avanzamento degli strumenti genomici per ricercatori e clinici negli ultimi 10 anni è stato enorme. Il tasso accelerato di scoperta è probabile che continui e, con la diminuzione dei costi del NGS, l’uso di questo metodo nella diagnosi, prevenzione e gestione delle malattie è destinato a diventare pratica comune.

Man mano che i ricercatori costruiscono una migliore comprensione di come la variazione genetica altera la capacità di un individuo di rispondere al trattamento o ottimizzare le prestazioni, l’idea di gestione personalizzata o di precisione per i cavalli è molto promettente.

Inoltre, una maggiore comprensione delle relazioni genomiche tra gli individui, così come il contributo della variazione genomica ai fenotipi complessi come le malattie, si presta all’uso nella selezione genomica, ovvero l’incorporazione di informazioni genomiche con dati fenotipici per predire il valore di allevamento di un animale per un tratto o tratti di interesse. Una migliore comprensione della funzione genomica e della suscettibilità alle malattie supportata dall’applicazione del NGS può portare a migliorare notevolmete la salute e il benessere del cavallo.

Cenni storici sul sequenziamento del DNA del cavallo

L’uso del sequenziamento del DNA per indagare la causa sottostante delle condizioni ereditarie nel cavallo risale ai primi anni ’90. In quel periodo, prima dello sviluppo di un genoma di riferimento equino, gli studi genetici si basavano sull’uso di informazioni genomiche di altre specie. Successi significativi ottenuti con questo approccio includono l’identificazione di una mutazione missenso causativa della paralisi periodica iperkaliemica nel quarter horse e la sindrome del Lethal White Overo negli American Paint Horses. Nel 1995, il focus delle comunità scientifiche sulla generazione di strumenti genomici specifici per il cavallo ha dato inizio al Progetto Genoma del Cavallo. Attraverso questa collaborazione, sono state costruite partnership internazionali tra istituzioni accademiche e industriali, con la generazione di mappe del genoma equino.

Il passo più significativo per la genomica equina fino ad oggi risale al 2006, quando il National Human Genome Research Institute dei National Institutes of Health ha identificato il cavallo come specie prioritaria per gli sforzi di assemblaggio del genoma. Nel 2007 è stata completata una bozza di genoma equino di riferimento, chiamato EquCab2. L’assemblaggio di questi dati è stato integrato da informazioni di sequenziamento aggiuntive. All’epoca, l’accuratezza del sequenziamento di Sanger e la disponibilità di mappe di linkage e fisiche del genoma hanno reso EquCab2 uno dei genomi di riferimento di maggiore qualità di qualsiasi specie agricola. Si stimava che il genoma fosse composto da 2,7 miliardi di paia di basi, con oltre 20.000 geni codificanti per le proteine annotati nello sforzo iniziale. Questa risorsa è servita come base per lo sviluppo di strumenti genomici e scoperte per il decennio successivo, con saggi per rilevare variazioni genomiche e trascrittomiche nel cavallo ancorati in EquCab2.

Nel 2018 è stata rilasciata una nuova sequenza di riferimento, ancora basata principalmente su quella di Twilight. Questo genoma di riferimento migliorato, EquCab3, è stato il prodotto di nuove tecnologie per il sequenziamento di letture più lunghe, che hanno contribuito a caratterizzare regioni ripetitive del genoma (scopri di più nell’articolo scientifico “Improved reference genome for the domestic horse increases assembly contiguity and composition“).

Entrambi EquCab2 ed EquCab3 sono disponibili nel National Center for Biotechnology Information (NCBI), Ensembl e negli strumenti del browser del genoma dell’Università della California Santa Cruz.

A.C.

Fonte: “Next-Generation Sequencing in Equine Genomics” Jessica L. Petersen, MS, PhD a , Stephen J. Coleman, MS, PhD

© Riproduzione riservata.