ASPA - ACCADEMIA DEI GEORGOFILI - AIA

 CONVEGNO:
“ACQUISIZIONI DELLA GENETICA E PROSPETTIVE DELLA SELEZIONE ANIMALE ”

‘Genomica e proteomica funzionali’ *

Donato Matassino ^{(1) (2)}, C.M.A. Barone⁽³⁾  , A. Di Luccia ⁽⁴⁾, C. Incoronato ⁽²⁾, F. Inglese⁽²⁾, D. Marletta ⁽⁵⁾, M. Occidente ⁽²⁾, P. Roncada⁽⁶⁾

Firenze, 27 gennaio 2006

Sommario

1.  Introduzione.  2. Complessità del sistema vivente. 2.1. Pleiotropia. 3. Integrazione ‘genotipo-fenotipo’. 3.1. Epigenetica. 4. Genomica.  4.1. Genomica ‘strutturale’. 4.2. Genomica ‘comparativa’. 4.3. Genomica ‘funzionale’. 4.3.1. Regolazione ‘pre-trascrizionale’. 4.3.2. Regolazione ‘post-trascrizionale’. 4.3.2.1. RNA ‘regolativo’. 4.3.3. Trascrittoma. 4.3.4. Prospettive della genomica ‘funzionale’. 4.4. Integrazione ‘genomica–proteomica’. 5. Proteomica. 5.1. Proteomica ‘strutturale’. 5.2. Proteomica ‘comparativa’. 5.3. Proteomica ‘funzionale’. 5.3.1. Cenni sul ‘Proteoma’ della ‘carne’. 5.3.2. Cenni sul ‘Proteoma’ del ‘latte’. 6. Conclusioni. 7.  Bibliografia.

(1)   Cattedra di Zootecnica generale e Miglioramento genetico - Dipartimento di Scienze biologiche e ambientali - Università degli Studi del Sannio – via Porta Arsa, 11 – 82100 Benevento – Italia - Tel.: +39  0824 305147; email: matassino@unisannio.it

(2) ConSDABI - National  Focal Point italiano della FAO (NFP.I - FAO) per la tutela del germoplasma  animale in via di estinzione nell’ambito della Strategia Globale FAO per la gestione della risorsa genetica animale (GS-AnGR, Global Strategy for the Management of Farm Animal Genetic Resources) – Centro di Scienza Omica per la Qualità e per l’Eccellenza nutrizionali - Centro di Ricerca sulle Risorse Genetiche Animali  di Interesse Zootecnico - Centro Produzione Sperma ed Embrioni - Contrada Piano Cappelle - 82100 Benevento – Italia - Tel.: +39  0824 334300;  tf.:  +39 0824 334046;  email: consdabi@consdabi.org; Internet: www.consdabi.org

(3) Dipartimento di Scienze del suolo, delle piante, dell’ambiente e delle produzioni animali (Sezione T.M. Bettini) – Università degli Studi di Napoli ‘Federico II’-via Università 100 – 80055 Portici (NA) - Tel.: +39  081 2539287;  tf.:  +39 081 7762886;  email: cmbarone@unina.it

    (4) Dipartimento di Progettazione e di Gestione dei Sistemi Agro-Zootecnici e Forestali (PRO.GE.SA)– Università degli Studi di Bari - Via G. Amendola, 165/A - 70126 Bari – Tel./tf: +39 080 5442942; email:  a.diluccia@agr.uniba.it          

    (5) Dipartimento di Scienze agronomiche, agrochimiche e delle produzioni animali (DACPA) (Sezione Scienze delle produzioni animali) - Università degli Studi di Catania – via Valdisavoja, 5 – 95123 Catania - Tel. : +39 095 234478; email: d.marletta@unict.it

(6)   Istituto Sperimentale Italiano ‘Lazzaro Spallanzani’- Laboratorio di Proteomica presso Dipartimento di Scienze cliniche veterinarie (Sezione Clinica medica) – Via Celoria, 10– 20133 Milano – Tel.: +39   02 50318138;  tf.: +39  02 50318171; email: paola.roncada@unimi.it

    * Il testo della relazione è parzialmente aggiornato a  gennaio 2007.

1. Introduzione

   L’evidente importanza che rivestono la genomica e la proteomica nella complessa funzionalità di un qualsiasi essere vivente richiede, ad avviso degli Autori, una visione di conoscenze,  la quale mira continuamente a incrementare il bagaglio di  un allevatore. Il miglioramento genetico di una biopoiesi non può prescindere dal progredire di tali conoscenze, specialmente se viene implicato l’ ‘aspetto fenotipico’ della ‘qualità’ del prodotto, considerata nei suoi molteplici e innumerevoli  effetti sul ‘benessere del consumatore’. Questi effetti dipendono dal ruolo che i componenti ‘nutrizionali’, ‘extranutrizionali’ e ‘salutistici’ del prodotto di origine animale svolgono una volta ingeriti. L’uomo non può essere considerato un’entità biologica ‘invariante’ nel tempo e nello spazio, ma un ‘essere vivente’ che richiede, lungo l’arco della sua vita (dall’embrione al feto al bambino all’adolescente all’adulto all’ultrasessantenne all’ultraottantenne all’ultracentenario), un ‘regime alimentare’ diversificato al quale il ‘sistema allevatoriale’ deve rispondere con oculatezza, con competenza e con convinzione; la risposta del ‘sistema allevatoriale’ è ancora piú impegnativa se si considera che il regime alimentare varia anche in relazione ad  alcune funzioni ‘biologiche’ (gravidanza, allattamento, attività agonistica, ecc.) e ‘intellettuali’ esplicate quotidianamente (Matassino et al. 1991; Matassino, 1992a; Matassino e Cappuccio, 1998; Casabianca e Matassino, 2006; Matassino et al., 2006d e e). In questo ‘continuum’ coacervo di vita  relazionale, il futuro del ‘miglioramento genetico degli animali in produzione zootecnica’ (MGAPZ) non può prescindere da una ‘visione sistemica’ (Needham, 1936; Von Bertalanffy, 1940, 1971; Bettini, 1969, 1972;  Matassino, 1978, 1984, 1992b). Solo un percorso basato  su una ‘visione sistemica’  potrà soddisfare l’esigenza di fornire risposte concrete, costruttive e previsionali alla domanda tesa a disporre di strumenti capaci di indicare nella dimensione ‘spazio-temporale’ livelli ottimali delle prestazioni degli animali in produzione zootecnica (Matassino 1984, 1986, 1988).

Una disamina arguta del MGAPZ non obsolescente per diverse riflessioni espresse  si deve a: Aleandri (1989); Bufano (1989); Casu (1989); Cavalchini e Cerolini (1989); Cicogna (1989); Damiani et al. (1989); Fabbri (1989); Geri (1989); Lucifero (1989); Masina et al. (1989); Masoero (1989); Matassino (1989a e b); Pagnacco (1989); Pilla (1989a e b); Russo (1989); Scardella (1989); Silvestrelli (1989). Inoltre la tematica era stata trattata in:  Bettini (1955); Bettini e Matassino (1961); Bettini (1963); Bettini e Matassino (1963); Bettini (1972); Cunningham (1974); Hanset (1974); Henderson (1975); Matassino e Pilla (1976); Matassino (1978); Cartwright (1982);  Cartwright et al. (1982); Matassino (1984, 1985, 1988); Gahne e Juneja (1988); Russo e Fontanesi (2001); Pilla (2002); Pagnacco (2004).

Nella ‘Presentazione’ della suddetta disamina si riportano alcune considerazioni che direttamente e/o indirettamente interferiscono con il MGAPZ e che sono raggruppabili in:

(a)  economiche, le quali  impongono obiettivi diversi e non facilmente conciliabili cioè  obiettivi di ‘qualità’ e di ‘competitività’; obiettivi, che non si escludono a vicenda ma che si integrano nel senso che bisogna  produrre ‘qualità’ in un  mercato ‘competitivo’;

(b)  tecniche, le quali comprendono una serie di condizioni caratterizzanti l’ambiente di allevamento (alimentazione, sistema di tenuta,  strutturistica aziendale, ecc.);

(c)  genetiche, le quali rappresentano elementi basilari; sarebbe un grave errore considerare  esaustive le due precedenti considerazioni in quanto alla base di tutto esiste il ‘fattore genetico’, la cui importanza si è accresciuta proprio per l’acuirsi della competizione economica e per l’aumentato, sempre piú sofisticato, livello di tecnica.   

L’evoluzione della conoscenza del  genoma, del trascrittoma, del proteoma, dell’aromoma,  del glicoma, del lipidoma e del metaboloma, sollecita, in modo cogente, una visione del MGAPZ in un quadro d’insieme, ove gli aspetti abiologici, biologici e umani siano fortemente incorporati dal ‘sistema allevatoriale’; quest’ultimo, deve considerare l’evoluzione cognitiva di tipo ‘costruttivo’ nel senso che, passando da una conoscenza abiotica a quella biotica, l’autocoscienza dell’allevatore diventi sempre piú elemento fondante per incrementare la sua capacità sia di conoscenza che di trasferimento operativo.

L’ ‘arsenale molecolare’ dell’animale in produzione zootecnica è la ‘dote’ e l’input affinché l’animale, evidenziando un’immensa ‘plasticità fenotipica’, partecipi attivamente e con pieno diritto al ‘costruttivismo’ del ‘nuovo’ che si può identificare con il suo ‘epigenoma’; la conoscenza di quest’ultimo  è la  base per raggiungere ‘traguardi biopoietici innovativi e utili’ specialmente per l’aspetto salutistico del consumatore che deve essere considerato un vero  e proprio ‘ co-produttore’.

Il ‘sistema allevatoriale’ e/o il ‘singolo allevatore’, operando secondo questa strategia, partecipa/ano pienamente  all’ ‘evoluzione costruttiva’ dell’intero ‘sistema’, la cui parte fondante è, senza dubbio, la sua evoluzione ‘culturale’ che conduce a un ‘paradigma costruttivo’ dell’attività biopoietica della sua impresa, senza  trascurare quello sia ‘teleologico’ che ‘teleonomico’.

Le conoscenze sul tema da trattare sono documentate da una ‘vasta letteratura’, in cui spesso sperimentazioni ‘diverse’, talvolta ‘contrastanti’ per ‘impostazione’ e per ‘risultati’, forniscono un ‘coacervo di acquisizioni’ che di norma rimodellano concetti biologici e comportamentali ritenuti invarianti. L’argomento è di viva attualità, di notevole valenza scientifica e operativa, nonché  molto futuristico, emblematico e complesso (Matassino et al., 2006d).

Le nuove conoscenze evidenziano che i meccanismi molecolari alla base della vita sono integrati in sistemi complessi che funzionano ‘olisticamente’. Pertanto, la biologia del ‘2000’ mostra un ‘volto’ nuovo che si  va configurando con una ‘biologia olistica’ o ‘integrata’ o ‘biologia dei sistemi’. Questa biologia è indiscutibilmente diversa da quella del suo fondatore: Aristotele.

Il nuovo approccio si sta qualificando principalmente come  settore ‘biologico-molecolare’, ove la conoscenza di un ‘carattere’ o ‘manifestazione fenotipica’  nella sua ‘struttura’ e nella sua ‘funzione’  è  fondamentale se non indiscussa. Il ‘carattere’ è funzione degli effetti di diversi piani organizzativi: submolecolare, molecolare, cellulare, tissutale, organico, organismico, biocenotico, ecosistemico;  ogni piano è caratterizzato da norme proprie e da norme di vita di relazione con altri piani. A ogni successivo livello di organizzazione la complessità strutturale e funzionale aumenta, arricchendosi ‘epigeneticamente’; pertanto, si ha un aumento continuo, temporalmente e spazialmente, della quantità di informazioni necessarie a descrivere questo sistema (Bettini, 1969, 1972; Matassino, 1978; Matassino, 1984).

La utilizzazione della biologia molecolare sta diventando, sempre di piú, ‘fonte notevole di innovazione’ dei sistemi produttivi interessati alla ‘biopoiesi’  (Matassino et al., 2006a).

Questa innovazione  si basa su una  ‘genomica’  ove non sono piú i soli  segmenti di DNA codificanti ‘polipeptide/i’ (cosiddetti ‘geni’) gli ‘unici protagonisti’ del processo ereditario ma anche  le ‘reti regolatrici’ che ne governano l’espressione; espressione, che si concretizza in una ‘manifestazione fenotipica’, la quale altro non è se non il  prodotto di una attività sistemica del DNA.

L’approccio classico allo studio dei fenomeni biologici  è sempre stato quello di affrontare le problematiche in maniera indipendente: studio del singolo segmento di DNA codificante ‘polipeptide/i’ e studio  del singolo ‘polipeptide’; in realtà, è sempre piú documentato come il comportamento di queste macromolecole sia collegato e sia integrato a quello di numerosi altri fattori nel contesto delle ‘complesse  reti biologiche’. ‘Segmenti di DNA’  e ‘proteine’ vanno, quindi, considerati come componenti insostituibili di una vera e propria ‘rete cibernetica di informazione’.

L’importanza che si attribuisce ai segnali dell’ambiente ‘interno’ ed ‘esterno’ all’organismo nella regolazione di un meccanismo ‘molecolare-cellulare-biologico’ evidenzia che l’’ambiente’ e l’’organismo’ costituiscono un’ ‘unità sempre meno inscindibile’, ove il ruolo fondamentale  svolto dalle interazioni rende poco significativo lo studio delle singole entità. Pertanto, alla luce dell’impostazione sistemica, qualsiasi essere vivente può essere considerato un organismo ‘cibernetico’ identificabile con un vero e proprio ‘sistema biologico, aperto, dinamico, vincolato, neghentropico’  (Von Bertalanffy, 1940; Bettini, 1970; Matassino, 1978,  1984, 1989c; Sarà, 2002).

I progressi acquisiti in biologia molecolare, sempre in evoluzione, hanno condotto a una notevole espansione della cosiddetta scienza ‘omica’[1]; questa indica l’approccio analitico  che tende a  studiare le macromolecole non piú ‘singolarmente’ ma in modo ‘olistico’, quali componenti di una complessa ‘rete biologica’

La ‘biomica’, parte della scienza ‘omica’, comprende, a oggi, varie branche che si integrano tra loro: genomica, trascrittomica,  proteomica, aromomica,  glicomica, lipidomica, metabolomica, ecc. (Matassino et al., 2006a).

In questa sede diviene importante sia evidenziare alcuni risultati delle sperimentazioni sia sottolineare alcuni concetti ‘basilari’ e ‘semantici’ della problematica scaturente dalla crescente ‘complessità’ dell’argomento, essendo velleitario fornire risposte esaurienti.

La trattazione della  genomica e della proteomica funzionali  non può  prescindere da un ‘microriferimento’ alla ‘irriducibile complessità’ del sistema vivente. In tale contesto, si è ritenuto altresí opportuno riportare alcuni cenni relativi allo stato dell’arte delle conoscenze sul genoma umano; quest’ultimo, infatti, oltre a rendere testimonianza della ‘complessità’  del vivente, rappresenta uno dei campi nel quale lo ‘status’  delle acquisizioni progredisce istante per istante.

Non è semplice condensare, oltre certi limiti, una materia cosí vasta e i relativi  necessari approfondimenti, per cui è inevitabile che  la trattazione presenti omissioni. Altresí,  si è consapevoli del probabile ‘rischio’ che  il testo,  in alcuni punti, risulti eccessivamente  ‘concettuale’ per meglio interpretare il funzionamento ‘genomico-proteomico’ di un organismo vivente, quindi dell’animale in produzione zootecnica; pertanto, la presente, probabilmente, se non certamente,  solleverà piú problemi di quanti ne possa chiarire, ma il sollevare problemi ‘rende inquieti’ e, concordando con  lo scrittore francese J. Green, “Finché si è inquieti, si può stare tranquilli”.

2.     ‘Complessità’ del sistema vivente

 La parola ‘complessità’  è un ‘continuum’ oggetto di discussioni e di teorie; fra gli altri, ne hanno ampiamente trattato: G. Bateson (1904÷1980), A. Einstein (1879÷1955), N. Luhmann (1927÷1979), E. Morin (1921÷), V. Pareto (1848÷1923), T. Parsone (1902÷1979), I. Prigogine (1917÷2004), H. Spencer (1820÷1903), F.J. Varela (1946÷2000), H. von Foerster (1911÷2002) i quali hanno evidenziato la limitatezza e l'unilateralità delle concezioni razionali in chiave lineare e meccanicistica. In sintesi (Matassino, 2001a), le diverse teorie considerano che la 'complessità'  sociale è caratterizzata da una specie di parallelismo fra:

  (a)  progresso, conoscenza, vita, umanità,  evoluzione

         e

   (b) caos, perturbazioni, disordine, instabilità, squilibrio, turbolenza, non linearità, marginalità e frattalismo.

La ‘complessità’, come evidenziato da Matassino (2001a), è un vero e proprio ‘sistema complesso’,  in quanto:

(a)  è da delimitare, di volta in volta, nei suoi confini;

(b) è da conoscere nelle sue componenti qualitative e quantitative nonché nelle loro interrelazioni;

  (c) è flessibile ed è variabile ‘spazialmente’ e ‘temporalmente’ perché strutturalmente instabile;

(d) ha ‘capacità al costruttivismo’ differenziata per effetto del grado di informazione del tempo e dello spazio;

(e) è fortemente ‘autoregolatore’, ‘omeostatico’, per cui può produrre nuove combinazioni fra le parti costituenti che possono dare origine a dinamici  peculiari 'status'  le cui regole di funzionamento possono mutare nel tempo e nello spazio come, si verifica, a esempio, per il sistema 'genoma' per effetto delle continue e nuove combinazioni di segmenti di DNA;

(f)  non è un modello lineare per  l’assenza di proporzione tra causa ed effetto;

(g) è ‘imprevedibile’,  nel senso che esso,  alla luce delle precedenti considerazioni, non è totalmente ‘computabile’, perché può essere considerato una vera e propria 'struttura caotica deterministica’;

(h) ha una sua 'singolarità', quale 'universo soggettivo' non riducibile a mero oggetto di riduzionismo ma discernibile e con una sua propria ‘alterità’;

(i) ha una sua specifica pertinenza per la capacità di 'dialogare' tra le parti componenti.

Come già detto, qualsiasi essere vivente va studiato e interpretato a differenti ‘livelli organizzativi’; in particolare, quello molecolare (‘DNA’ e suoi ‘prodotti’) va prima di tutto conosciuto a livello di ‘singola cellula’ e, successivamente, nei rapporti tra le ‘cellule costituenti l’organismo’ nonché  tra quest’ultimo e il ‘microambiente’ in cui esso organismo è inserito.

Le proteine, tra le macromolecole, rappresentano quelle maggiormente coinvolte nella manifestazione di un dato ‘fenotipo’ cioè quelle che, piú verosimilmente, riflettono le differenze nell’espressione dei segmenti di DNA. Piace a questo proposito ricordare la metafora del Nobel Renato Dulbecco (2002), il quale paragona il DNA al ‘nastro di un registratore’ e le proteine ai ‘meccanismi che fanno muovere il nastro’: senza i suddetti meccanismi, non si produrrebbe il ‘suono’; il ‘genoma’ è, dunque, da considerare il ‘progetto della vita’ che viene realizzato dalle proteine.

Un ‘vertice’ nel fenomeno della ‘complessità’ della vita può essere considerato il sistema nervoso. Si stima che l’encefalo umano sia costituito da 100 miliardi di cellule (neuroni), di cui una trentina di miliardi costituisce la sola corteccia;  ciascuna cellula è collegata alle altre da migliaia di sinapsi, cioè da migliaia  di interazioni da cui dipende il suo funzionamento. Indagini sull’evoluzione della ‘mente’ evidenzierebbero sempre piú chiaramente l’‘unicità’ dell’encefalo umano che potrebbe essere spiegata dalla sua ‘lateralizzazione’ associata alla specializzazione emisferica[2] (Hutsler et al., 1999; Gazzaniga, 2006).

Anche il numero di cellule che costituirebbe l’organizzazione complessiva di un mammifero, quale l’uomo, è sconvolgente:  100.000 miliardi (10¹⁴); valore che supera le attuali stime del numero di galassie dell’universo, circa 125 miliardi, pur restando, però, inferiore a quello delle stelle che è stimato dell’ordine  di 10²¹.

Concordando con Behe (1996): “La ricerca ha provato che il fondamento della vita, la cellula, è gestita da una complessa e sofisticata macchina molecolare. Ci sono, letteralmente,  piccoli camion e piccoli autobus molecolari che lavorano nella cellula e piccoli motori fuoribordo che le permettono di muoversi”.

L’informazione contenuta nel singolo genoma è ‘unica’ del ‘portatore’ ed è normalmente  ‘irripetibile’; considerando i 46 cromosomi, il genoma di un vivente umano è il risultato di circa 70 mila miliardi di combinazioni diverse, mentre il genoma di un bovino (2n= 60) è una di …1.152.921.504.606.850.000 (!!!)  di combinazioni.

L’uomo, nella scala dei viventi,  può essere considerato il vertice della complessità; tale complessità va intesa come ‘tipo’ di cellule e di molecole e quindi come ‘maggiore varietà di funzioni’ che possono essere eseguite.      

La comprensione della ‘genesi’ della complessità di un organismo pluricellulare richiede la considerazione di due tipi di processi:

(a)  ‘ontogenetico’ o di ‘sviluppo’, realmente prodotto nel senso che  da una singola cellula (lo zigote) si forma un organismo di piú cellule fra loro differenziate che producono tessuti e organi in modo da poter sopravvivere, riprodursi, relazionarsi con altri organismi e con l’ambiente;

(b)  ‘filogenetico’ o ‘evolutivo’, desumibile da una documentazione basata su fossili nel senso che da forme ipotetiche di vita sembrano derivare i primi batteri che avrebbero dato origine agli eucarioti unicellulari, i quali, a loro volta, avrebbero dato origine  a quelli pluricellulari.

Secondo Sarà (2005), la ‘complessità’ dei fenomeni della vita, osservata nella sua attualità, si esplica mediante una ‘struttura gerarchica’ (o ‘gerarchia economica’) che trova la sua massima espressione nell’ambito del pensiero ‘olistico’; struttura gerarchica, costituita da diversi livelli  ‘emergenti’[3] contenuti gli uni negli altri e interconnessi da rapporti ‘istantanei’.

 Già Bettini (1969)  aveva intuito l’importanza delle produzioni animali su base molecolare in un contesto sistemico ove il piano organizzativo molecolare rappresenta il primo elemento dell’impostazione ‘atomistica’ di un sistema ‘produttivistico’; in tale contesto, Egli propose tra gli insegnamenti universitari ‘complementari’  quello della ‘zootecnica molecolare’. 

La singola cellula non funziona, normalmente, come un semplice ‘sistema a cascata’ (dal ‘genotipo’[4] al ‘fenotipo’[5]), ma come un ‘sistema complesso’.

 Il meccanismo responsabile dell’aumento di ‘complessità’ di un sistema biologico opera mediante interazioni tra i costituenti a qualsiasi livello con rapporti per lo piú costruttivi i quali, implicando scambi di energia e di informazione tra le entità interagenti, cooperano per la formazione di un sistema piú ampio. Affinché tale sistema non assuma la rigidità della ‘non vita’, è necessario che le interazioni ‘positive’ o ‘costruttive’ siano accompagnate da quelle ‘negative’ o ‘demolitive’ e che quindi all’ ‘attrazione’ si contrapponga la ‘repulsione’ (Sarà, 2005).

Complessivamente, l’ontogenesi mostra che nel bilancio la fase ‘costruttiva’ prevale su quella ‘distruttiva’: l’albero dei viventi, pur presentando molti rami estinti, si è espanso e si è diversificato con la costruzione di organizzazioni sempre piú autonome e piú complesse; fase ‘costruttiva’, identificabile con la  ‘capacità al costruttivismo’ [6] di un organismo  (Matassino, 1989c, 1992b; Lewontin, 1993, 2004). 

Con particolare riferimento agli aspetti funzionali del genoma, la rete di messaggi molecolari in un organismo, complicata da fenomeni quali  la biforcazione dei segnali, la retroazione (feedback) e la diafonia (cross talk)[7], può essere paragonata a un ‘sistema di circuiti’ in cui i segmenti di DNA con funzione regolativa agiscono da ‘commutatori’ o da ‘interruttori’ (switch) che ‘accendono’ o ‘spengono’ l’attività trascrizionale. Questi interruttori ricevono messaggi di ingresso (input) dall’ambiente extra e intracellulare e rispondono con messaggi di uscita (output) che si concretizzano nell’espressione del segmento di DNA interessato. Nel batterio Escherichia coli, Jacob e Monod (1961) hanno caratterizzato il primo ‘commutatore’ genetico: il ‘repressore del segmento di DNA codificante la beta-galattosidasi; enzima la cui sintesi è sottoposta a un doppio controllo: ‘positivo’ o ‘negativo’ in rapporto, rispettivamente, all’assenza di glucosio e alla presenza di lattosio (lac-operon)’[8]. Successivamente, sono stati proposti veri e propri modelli di circuiti molecolari, quali rappresentazione della ‘logica’ e dei meccanismi di attivazione dei segmenti di DNA di un genoma; un esempio di modellizzazione è quello proposto da Kauffman (1969; 1974) basato sulla rete booleana[9] in cui migliaia di segmenti di DNA sono rappresentati come elementi che sono nello stato ‘on’ (acceso, stato ‘1’) o ‘off’ (spento, stato ‘0’)  e lo stato on/off di alcuni elementi determina lo stato di altri. La rete booleana non costituisce la rappresentazione reale del comportamento dei segmenti di DNA, in quanto questo comportamento non è identificabile con un semplice on/off, ma piuttosto con ‘differenti livelli di espressione’ entro determinati intervalli identificabili con un continuum di cascate di segmenti di DNA organizzato in reti complesse, come a esempio si verifica per lo ‘sviluppo’ [10] e per l’ ‘accrescimento’[11]; binomio, questo,  largamente usato da Darwin per chiarire un concetto biologico fondamentale: differenza fra ‘crescita’ e ‘sviluppo’; infatti, Egli oppone l’adulto all’embrione nel senso che ogni essere vivente può continuare a crescere pur avendo cessato di svilupparsi. I componenti del genoma opererebbero,  quindi,  attraverso cascate di segmenti di DNA codificanti organizzate in reti (‘network’) molto complesse. In tale sistema i segmenti di DNA ‘strutturali’ agirebbero sulla base delle istruzioni fornite dai segmenti di DNA ‘regolatori’  disposti a differenti livelli, tenendo presente che uno stesso segmento di DNA può assolvere sia la funzione ‘regolatrice’ che quella ‘strutturale’. Al vertice di ciascuna cascata si troverebbero i segmenti di DNA ‘master’, capaci di influenzare in modo determinante il successivo svolgersi dell’ ‘attività  della cascata’. Un esempio di segmenti ‘master’ è rappresentato da quelli ‘hox’[12] presenti in tutti gli animali ‘bilateri’, invertebrati e vertebrati, ove svolgono un ruolo determinante  nell’organizzazione antero-posteriore del soma; gli stessi segmenti sono presenti anche nel lievito e in alcuni invertebrati primitivi ove, però, svolgono funzioni che, sebbene non ancora ben note, sono sicuramente diverse da quelle dei bilateri; ciò dimostra, se vi fosse ancora bisogno, l’importanza del ‘contesto’ in cui questi segmenti operano nel determinismo della struttura dell’organismo.

Rollo (1994), pur riconoscendo l’importanza del modello ‘funzionale complesso’, propone il cosiddetto modello ‘misto’ in cui si  attribuisce una peculiare autonomia alle ‘cascate’.

Una ‘rete complessa’ può assolvere nuove funzioni o modificare la specificità molecolare entro il programma previsto o in altri programmi (Eizinger et al., 1999). Questo interplay (intergioco) fra conservazione e cambio di specificità di azione di singoli segmenti di DNA o di loro ‘reti’ può anche essere utile per l’interpretazione dei cambiamenti nel tempo (cronogenetica).

La complessità della rete è da valutare ancora maggiore alla luce della funzione autocatalitica dell’RNA (self splicing)  (Cech et al., 1981) nonché  di quella del DNA (‘depurinazione spontanea’)  [13] (Amosova et al., 2006). Il predetto RNA è stato definito ‘ribozima’; termine, quest’ultimo,  usato per indicare una molecola che è ‘strutturalmente’ costituita da RNA ed  è ‘funzionalmente’ in grado di comportarsi anche da ‘enzima’. La funzione ‘autocatalitica’ del DNA potrebbe svolgere un ruolo ‘utile’ in quanto, modificando le proprietà ‘conformazionali’ della doppia elica, potrebbe facilitare la formazione di complessi aperti ‘DNA-proteina’ e/o giocare un ruolo nell’ ‘impacchettamento’ del DNA e/o facilitare eventi di ‘ricombinazione tra segmenti di DNA’.

Altri modelli di ‘reti’ di segmenti di DNA sono:

(a)  il modello bayesiano[14], in cui i livelli di espressione sono definiti da probabilità bayesiane;

(b) il modello ‘fuzzy’[15], in cui i livelli di espressione assumono valori continui nell’intervallo ‘0÷1’; in genetica quantitativa un esempio potrebbe essere identificato nel ‘coefficiente di ereditabilità’, in cui la frazione ‘ambientale’  o quella ‘ereditabile’ della ‘varianza fenotipica totale’ può assumere un valore compreso fra ‘0’ e ‘1’.

La complessità degli esseri viventi richiede un approccio ‘sistemico’; approccio identificabile  con la ‘teoria generale dei sistemi’, resa ufficiale da L. von Bertalanffy nel 1945 e già espressa da Needham nel 1936. Secondo Needham, il sistema vivente è necessariamente ‘policromatico’, è una ‘complessità variegata’ che si esprime in una essenza ‘singola’; pertanto, l’‘interezza’ dell’organismo è fondamentale nella biocomunicazione.

Bettini (1972) definí il sistema come ‘un insieme di processi interagenti caratterizzati da un numero piú o meno grande di mutue relazioni funzionali’  o, se si preferisce, ‘un complesso di eventi o di fenomeni di vita reale contrassegnati da scambievoli legami funzionali’ (Matassino, 1978, 1984).

La ‘dinamica  del fenomeno della complessità’, legata anche alle continue acquisizioni della genomica e della proteomica, nel loro significato piú ‘lato’,  evidenzia l’esigenza di una visione sempre piú integrata ‘genotipo –fenotipo’ nel funzionamento di qualsiasi ‘entità biologica’; funzionamento che potrebbe essere considerato, come nel ‘mandala’ (Matassino, 1992b), il risultato delle interazioni di diversi sottosistemi (figura 1).

2.1. Pleiotropia

La dinamicità temporale e spaziale rappresenta una delle principali caratteristiche dell’’attività funzionale’ di un segmento di DNA; attività di per sé complessa e di non semplice definizione in quanto un ‘segmento di DNA codificante ‘polipeptide/i’ rarissimamente funziona da solo e/o possiede una singola funzione.

Le modalità grazie alle quali il genotipo ‘costruisce’ il ‘fenotipo’ sono fortemente complesse  e ancora in gran parte sconosciute; l’esistenza di un numero sempre maggiore di segmenti di DNA a effetto ‘pleiotropico’ evidenzia la difficoltà di definire la funzione specifica di un segmento di DNA.

La pleiotropia è un ‘fenomeno genetico’ per il quale un unico segmento di DNA è in grado di influenzare ‘aspetti multipli’ e ‘strettamente correlati’ del ‘fenotipo’ di un essere vivente. La prima osservazione di tale ‘fenomeno genetico’ venne fatta da G. Mendel (1865) il quale notò come il ‘medesimo fattore ereditario’ influenzasse sia  il colore dei fiori sia quello del tegumento dei semi. H. Nilsson (1905) osservò che nell’avena vi era una stretta correlazione fra la  pelosità dei culmi e la forma delle ariste. La dimostrazione della pleiotropia è complessa in quanto richiede che i ‘caratteri correlati’ non solo manifestino dissociazione nella discendenza ma abbiano sempre una stessa percentuale di scambio con i segmenti di DNA noti. Sebbene nel ‘settore zootecnico’  gli effetti pleiotropici siano stati  spesso ipotizzati e siano stati oggetto di modelli sperimentali (Bettini, 1972), a oggi, sono ancora molto esigue le conoscenze relative al complesso biochimismo responsabile degli ‘effetti multipli’.

È acclarato che il ‘comportamento pleiotropico’ può essere:

(a)  ‘modulare’ (‘modular’ pleiotropy), quando le diverse ‘manifestazioni fenotipiche’, quali espressione di un’unica mutazione, sono funzionalmente correlate, nel senso che singole ‘unità funzionali’ vengono influenzate  distintamente  dalla mutazione unica (Cheverud, 1996; Wagner, 1996; Wagner e Altenberg, 1996; Hansen, 2003; Welch e Waxman, 2003);

(b)  ‘ubiquitario’ (‘ubiquitous’ pleiotropy), quando le diverse ‘manifestazioni fenotipiche’, quali espressione di un’unica mutazione, non sono funzionalmente correlate, nel senso che  cambiamenti interessanti una data manifestazione fenotipica sono indipendenti da quelli di un’altra manifestazione fenotipica (Wright, 1968, 1980; Lande, 1980).

La pleiotropia potrebbe dipendere sia da linkage tra ‘segmenti’ di DNA codificanti ‘polipeptide/i’ che da presenza di una correlazione genetica tra questi ‘segmenti’. Quando l’effetto pleiotropico è ‘bilanciato’ (uguale a 0), perché l’assetto allelico determina il sorgere di correlazione/i di ugual valore (sia in senso positivo che in senso negativo), si ha il fenomeno della pleiotropia ‘criptica’ o ‘nascosta’ (‘hidden’ pleiotropy) (Cheverud, 1984; Baatz e Wagner, 1997).

Attualmente, si ritiene che la maggioranza di questi ‘segmenti’ a comportamento ‘pleiotropico’ interessi soprattutto quelli coinvolti nello sviluppo e nelle risposte ormonali.

A esempio, la conservazione nel genoma di programmi ‘suicidi’ che predispongono alla senescenza viene associata  a un effetto ‘pleiotropico’; il complesso processo di ‘remodelling’ (‘rimodellamento’) che l’organismo attua in tarda età, realizzando soluzioni di compromesso differenti da quelle che risultano ottimali in età giovanile, si concretizza in un ‘pleiotropismo all’inverso’. Pertanto, gli stessi ‘segmenti’ sarebbero responsabili di elevati livelli di efficienza nella fase giovanile, favorendo una forte sopravvivenza degli individui ‘portatori’, quindi di una loro ‘affermazione riproduttiva’, e sarebbero responsabili di una scarsa attività di ‘compromesso’ (remodelling) nella fase ‘post-riproduttiva’ con conseguente accelerazione dell’invecchiamento. Sembrerebbe, quindi, che l’accesso a un’età centenaria dipenderebbe da segmenti di DNA che si comporterebbero in modo diametralmente opposto in relazione all’età dell’individuo; detti  ‘segmenti’ favorirebbero un maggiore rischio di mortalità nell’età ‘giovanile’ e consentirebbero un piú proficuo ‘compromesso biologico’ nell’età ‘senile’ (Bartoletti e Terranova, 2002). 

La sequenza temporale di attivazione dei vari segmenti di DNA è, indiscutibilmente, legata alla ‘stabilità’ dell’informazione che decade universalmente e progressivamente nel tempo, poiché il tempo ‘biologico’  viene consumato e non sostituito; ciò comporta come ‘effetto finale’ un esaurimento dell’arsenale di cui l’individuo è in possesso.

Altro esempio dell’effetto di ‘compromesso biologico’ è quello che regola l’attività di proteine cosiddette ‘bifronti’, ampiamente presenti in natura, quale, a esempio, la proteina Id2 [16]  del tessuto nervoso; questa proteina, dopo aver svolto l’attività fisiologica di induzione della divisione cellulare durante lo sviluppo embrionale del sistema nervoso, può assumere una duplice funzione:

(a)  ‘negativa’,  nel promuovere la proliferazione di tumori del sistema nervoso in età pediatrica;

(b)  ‘positiva’,  nel favorire la rigenerazione degli assoni nel neurone.

Questo ‘compromesso funzionale’ sarebbe assicurato dal complesso enzimatico APC[17] che, attivando la degradazione della proteina Id2, ne impedisce l’accumulo; la riduzione di Id2 promuoverebbe l’azione di fattori di trascrizione di un cluster di segmenti di DNA, tra i quali quello codificante il recettore Nogo, elemento chiave nell’inibizione dello ‘sviluppo’ degli assoni; l’accumulo della proteina Id2 nel ‘neurone’ reprimerebbe l’azione dei suddetti fattori di trascrizione promuovendo lo sviluppo dell’assone (Lasorella et al., 2006).

Nel campo umano, una base genetica pleiotropica viene riconosciuta a molte malattie. Come riportato da Matassino (2005b), un esempio è rappresentato dalla sindrome di Hutchinson-Gilford o ‘progeria infantile’ [18]; responsabile della malattia è una mutazione puntiforme nel segmento di DNA codificante le proteine della membrana nucleare: ‘lamina A’ e ‘lamina C’ [19]. La mutazione comporta l’attivazione di un sito di ‘splicing non corretto’ che si traduce nella delezione di 50 aminoacidi nella regione carbossilica terminale della proteina ‘lamina A’, comportante la presenza di una ‘lamina A’ ‘imperfetta o difettosa’. Scaffidi e Misteli (2005) hanno sintetizzato un breve segmento di DNA modificato avente come bersaglio il sito di ‘splicing errato’ sul pre-mRNA codificante la proteina ‘lamina A’; quest’oligonucleotide fungerebbe da ‘cerotto molecolare’ in grado di favorire il ‘nascondimento’  del ‘sito non corretto’  dall’azione di splicing (‘taglio’) evitando cosí la sintesi della proteina ‘lamina A’ difettosa.

Nel ‘ceppo selvatico SM’ [20] del batterio Pseudomonas Fluorescens SBW 25 sono stati caratterizzati effetti ‘pleiotropici’ di una mutazione puntiforme a carico  della regione codificante del segmento di DNA wspF ; mutazione che rende il ‘ceppo mutato LSWS’[21]  in grado di colonizzare un nuovo microambiente (Knight et al., 2006). Tale mutazione ‘adattativa’[22], o meglio partecipativa al ‘costruttivismo’, determina effetti ‘pleiotropici’ che si estrinsecano anche in differenze di natura quantitativa (P<0,05) tra il ceppo ‘SM’ e quello ‘LSWS’. Questo ‘pleiotropismo’ si concretizza, a oggi, nella sintesi di ben 52 proteine che, in vario grado, vengono coinvolte nel metabolismo del singolo ‘ceppo’.

Una mutazione può riguardare anche una semplice regione ‘regolatrice’ di un segmento di DNA ‘pleiotropico’. Prud’homme et al. (2006), in Drosophila, hanno evidenziato che mutazioni differenti nella regione ‘regolatrice’ del ‘segmento pleiotropico yellow’ [23] sarebbero responsabili della ‘presenza’ o dell’‘assenza’ della ‘macchia scura puntiforme sull’ala del maschio’ a seconda della specie. L’ ‘ipoespressione’ del ‘segmento’ di DNA determina una colorazione uniformemente grigia sull’ala del maschio di Drosophila melanogaster mentre l’ ‘iperespressione’ è responsabile di una ‘macula’ scura in posizione distale nella parte anteriore dell’ala nel maschio di Drosophila biarmipes. Questa categoria di mutazioni potrebbe fornire una qualche spiegazione all’ipotesi di ‘evoluzione convergente’[24]. Gli Autori hanno ipotizzato che la succitata ‘ipoespressione’ potrebbe essere spiegata dalla presenza di una mutazione a carico di un ‘elemento regolatore’ responsabile della disattivazione del segmento di DNA ‘yellow’, nonostante che la Drosophila melanogaster e la biarmipes abbiano un antenato comune caratterizzato da ala ‘maculata’. Nelle specie Drosophila biarmipes e tristis la macula si sarebbe formata indipendentemente grazie all’azione di due diversi ‘elementi regolatori’. Sarebbero stati  gli ‘elementi  regolatori’ a far variare e a determinare l’espressione del ‘segmento pleiotropico yellow’ e quindi la comparsa di nuove manifestazioni fenotipiche.

Nel ‘campo zootecnico’, un esempio di ‘pleiotropia’  è fornito, nel pollo, dal segmento di DNA recessivo autosomico ‘psp’ (polidattilia-sindattilia-ptilopodia) che, nella condizione di omozigosi recessiva, è responsabile del fenotipo ‘dita soprannumerarie e fuse con tarsi impiumati’. Altra manifestazione fenotipica con base ‘pleiotropica’ è la ‘doppia muscolatura’ o ‘doppia groppa’. Nella specie bovina, responsabili di tale fenotipo sono mutazioni a carico del segmento di DNA codificante la miostatina; dette mutazioni causerebbero ‘effetti multipli’ a carico del tessuto muscolare e di quello adiposo. La base ‘pleiotropica’ di tale fenotipo evidenzia l’importanza di verificare gli effetti fenotipici multipli quando si intraprendono programmi di selezione tendenti al miglioramento del rapporto ‘massa muscolare’/ ‘grasso’ affinché non siano compromessi altri aspetti produttivi e/o riproduttivi  influenzati dalla pleiotropia (Short et al., 2002).

Nell’era post genomica, diventa sempre piú importante spostare l’attenzione dall’ ‘identità dei segmenti di DNA’ alla ‘loro espressione’ e al contesto in cui essi operano al fine di ridurre lo ‘iato’ fra il ‘genotipo’ e il ‘fenotipo’ .

3. Integrazione ‘genotipo - fenotipo’

Il dualismo ‘genotipo-fenotipo’, teoricamente, inizia con la riscoperta delle leggi di Mendel (inizi 1900) (scoperte nel 1865), nonché con la disputa del dualismo ‘somatico-germinale’ di Weissman (1883, 1885). Successivamente, fondamentali sono stati i concetti elaborati da Waddington (1942, 1953, 1957), su base sperimentale e teorica, come quelli di:

(a)  ‘paesaggio epigenetico’[25];

(b)  ‘canalizzazione dello sviluppo’[26];

(c)  ‘assimilazione genetica’[27].

Nel 1949 Schmalhausen ha introdotto il concetto di ‘norma di reazione’ che non va considerata “espressione statica del cambiamento di un ‘carattere’” (o ‘manifestazione fenotipica’) ma, come evidenziato anche da Bettini (1972) e da Matassino (1978), “fenomeno dinamico che si verifica in un determinato contesto microambientale sotto l’azione del ‘genoma’”. Stimoli ambientali possono portare alla espressione di una ‘variabilità genetica latente’ e i fenotipi relativi, sortiti dall’ambiente dopo lo ‘screening’ effettuato dalla selezione naturale, possono essere ‘assimilati geneticamente’. A esempio, in Drosophila, quando la proteina da shock termico Hsp90 non è manifesta o per mutazione o per inibizione da farmaci o da shock termico  si rivela una variabilità genetica ‘criptica’ che viene espressa nella generazione successiva (fenomeno della ‘capacitazione’[28]) (Rutherford e Lindqvist, 1998).

L’‘assimilazione genetica’ e la ‘capacitazione’ sono indicative della importanza di mantenere elevato il livello di biodiversità quale strumento principe che permette alla natura di sincronizzarsi alla velocità dei cambiamenti ambientali; pertanto, la biodiversità è da considerarsi sia anello di congiunzione con il passato sia base del divenire biologico. E' merito della diversità biologica il continuo miglioramento qualitativo dell'informazione, quindi del grado di fitness o successo biologico di un dato tipo genetico al variare delle condizioni ambientali. Pertanto, la eventuale  riduzione della variabilità genetica comporterebbe una diminuzione sia della capacità di ‘autoregolazione’ che della propensione al ‘costruttivismo’ dei sistemi biologici (Matassino, 1989c, 1990, 1992b, 1996, 2001a, 2004a, 2005a). La principale causa di ‘biodiversità’ risiede nell’eterogeneità dei sistemi viventi; l’eterogenità è la norma  e, in biologia, vengono selezionati negativamente i meccanismi che tendono a limitare la variabilità genetica; ogni essere vivente possiede una propria individualità che viene ‘codificata’ nel proprio ‘genoma’ e viene ‘costruita epigeneticamente’ (Matassino, 2004a). I 'canoni etici’ che scaturiscono dalle profonde e articolate riflessioni sulla ‘complessità del vivente’ inducono a ipotizzare un 'federalismo biologico' in grado di ‘riconferire’ importanza e dignità alla 'biodiversità antica autoctona’ considerata come parte integrante di un ‘bioterritorio’ (Matassino, 2005a). Questo 'federalismo biologico’ configura ‘un nuovo soggetto nel mondo del diritto per la contestuale presenza di quegli elementi che determinano la rilevanza giuridica di un bene e che consentono di riconoscerne la giuridicità’ (Mazziotta e Gennaro, 2002).

Qualunque ‘filiera produttiva’ basata sulla utilizzazione dell’animale in produzione zootecnica ha le sue fondamenta sulla relazione tra ‘biologia’ e ‘poiesi’. La ‘biopoiesi’ dovendo soddisfare, primariamente,  esigenze dell’uomo ‘nutrizionali’, ‘extranutrizionali’ e ‘salutistiche’, variabili nel ‘tempo’ e nello ‘spazio’, affonda le sue radici nell’incommensurabile terreno della ‘biodiversità’. La conoscenza delle interazioni tra le caratteristiche molecolari ‘peculiari’ dei tipi genetici autoctoni, specialmente antichi (TGAA) e le caratteristiche del bioterritorio in cui essi sono inseriti è fondamentale per il continuo miglioramento quali-quantitativo di una ‘biopoiesi’.

Pertanto, l’ottimizzazione delle funzioni dell’‘animale allevato ai fini produttivi’ deve scaturire dalla conoscenza dello stesso sotto il profilo genomico, trascrittomico,  proteomico, aromomico, glicomico, lipidomico e metabolomico in un contesto bioterritoriale in senso ‘lato’. L’integrazione tra questi suddetti profili potrebbe contribuire alla conoscenza dei diversi fattori che influenzano la variabilità delle caratteristiche qualitative delle produzioni animali; fattori che agiscono infra vitam e post mortem nei diversi momenti della filiera produttiva  (Matassino, 2006b; Matassino et al., 2006d e  e).

 Nel 1972 Bettini ha introdotto il concetto di  ‘attributo di un oggetto del sistema animale a qualsiasi livello di organizzazione’ in sostituzione del termine ‘carattere’ o ‘manifestazione fenotipica’. Conseguentemente, il tipo di variazione della ‘manifestazione fenotipica’ diventa  una funzione parametrica dell’attributo, per cui si passerebbe a una genetica:

(a)  informatica propria  degli acidi nucleici, del codice genetico e della sua trascrizione;

(b)  cibernetica rispetto al canale interno o genetica dello sviluppo o fisiologia del segmento di DNA;

     (c) cibernetica di campo nel senso di dinamica della variazione come risultato delle interazioni ‘genoma-ambiente’ entro e fra gli individui.

La complessità della manifestazione fenotipica ‘produttività’  suggerisce una revisione nel modo di considerare il ‘fenotipo’ in un piano di miglioramento delle prestazioni degli animali in produzione zootecnica; in tale contesto,  il ‘carattere’ va inteso come espressione di un particolare aspetto del fenotipo visto anche sotto un profilo ‘tecnologico’  e, pertanto, non solo ‘biologico’  (Bettini, 1988; Matassino, 1988).

Il codice genetico è  protetto da sistemi di informazione, di controllo e di retroazione. Già a livello individuale, le retroazioni (biochimiche, fisiologiche e comportamentali) sono piuttosto complesse; a livello di popolazione sono estremamente ancora piú complesse e difficili da interpretare (Bettini, 1972).  Infatti, la ‘costruzione’ di un ‘fenotipo’ si realizza secondo 3 diversi livelli di retroazione ‘positiva’ e ‘negativa’:

(a)  interazione intra DNA codificante ‘polipeptide/i’ (fenomeno della dominanza e della epistasi);

(b)  interazione fra proteine, RNA e DNA (fenomeni di feedback grazie alla ‘trascrizione’ e  alla ‘traduzione’);

(c)   interazione fra proteine e altre molecole a livello sia intracellulare che intercellulare.

I suddetti tre livelli sono fortemente influenzati da fenomeni epigenetici dovuti a fattori  sia esogeni che endogeni  responsabili di un vero e proprio ‘epigenotipo’,  nel significato proposto da Waddington (1957), in base al quale l’individuo non sarebbe un semplice mosaico di caratteri controllati dai segmenti di DNA codificanti ‘polieptide/i’, ma un sistema caratterizzato da mutue interazioni e da equilibri tra forze opposte.

Sul piano descrittivo, probabilmente, sarebbe possibile definire fenotipicamente una popolazione rispetto a un elevato numero di ‘caratteri’ (biochimici, comportamentali, fisiologici, immunitari, somatici,  ecc.) con qualsiasi grado di approssimazione desiderabile;  tuttavia, resterebbe da stabilire quale significato è da attribuire alle differenze osservate nella manifestazione di un carattere, metrico o comunque, a effetto visibile e misurabile, nel senso  di ripartire le suddette differenze in quelle di natura ‘ambientale’ e in quelle di natura ‘genetica’ (Bettini, 1972; Matassino, 1978).

Questi concetti evidenziano che l’espressione dei segmenti di DNA è influenzata da interazioni tra citoplasma e nucleo, le quali impediscono l’esistenza di una corrispondenza univoca fra ‘genotipo’ e ‘fenotipo’, nel senso che lo stesso ‘genotipo’ può esprimere diversi ‘fenotipi’  e che lo stesso ‘fenotipo’ può essere la manifestazione dell’espressione di ‘genotipi’ diversi.

Negli anni ’70 e ’80 sono  stati introdotti i concetti di ‘coniugazione della filogenesi e della ontogenesi’ e di ‘constraint’ ; a partire dal 1999,  il concetto di coniugazione ‘filogenesi-ontogenesi’ è stato espresso come EVO-DEVO[29].

Constraint. Il termine ‘constraint’ [30](vincolo), nel significato piú accettato, può essere identificato in ‘ciò che dirige altri tipi di cambiamenti o che impedisce quei cambiamenti che sarebbero operati dalla selezione’; in senso lato, il ‘constraint’ è ‘un fattore che costringe o canalizza i cambiamenti fenotipici in una direzione stabilita dalla storia passata o dalla struttura formale, anziché dal corrente adattamento’ (Gould, 1989).

E’ possibile individuare le seguenti categorie di constraint:

(a)  strutturale;

(b)  di sviluppo;

(c)  filogenetica;

(d)  genetica;

(e)  epigenetica;

(f)   comportamentale;

(g)  ecologica o ambientale;

(h)   selettiva.

Uno dei  piú importanti aspetti potrebbe identificarsi con il meccanismo di ‘assimilazione genetica’ ⁽²⁷⁾, processo fondamentale della biologia epigenetica dello sviluppo, che Waddington (1957, 1975) ha evidenziato in Drosophila. La produzione di un nuovo assetto genetico, dovuto all’ ‘assimilazione genetica’ del nuovo fenotipo, è favorita dalla cosiddetta ‘selezione naturale’ nel corso dell’evoluzione ma, come nel caso dell’affine effetto Baldwin[31] (1986), il fenomeno è ‘canalizzato’ cioè guidato da precisi stimoli ambientali (Sarà, 2002).

Un fenomeno collegato all’ ‘assimilazione genetica’ può essere considerato quello dell’esistenza di fenocopie (Kauffman, 1993).

Sarà (1993), considerando l’influenza dei constraint ‘interni’ ed ‘esterni’ sul ‘fenotipo’, ha proposto di  ripartire il ‘processo evolutivo’  in due fasi:

      (a)‘costruttiva- epigenetica’ che si verifica  a livello di singolo organismo;

   (b) ‘selettiva’ che si verifica a livello di popolazione.

E’ noto che i vari ‘caratteri’ o ‘manifestazioni fenotipiche’ (comprese quelle comportamentali) di un organismo vivente sono ampiamente sottoposti all’effetto di una diversificata serie di ‘vincoli’ che, indubbiamente, interagiscono con la ‘selezione’ , sia essa naturale che zootecnica. In una visione ‘organismica’ si parla di ‘constraint ecosistemici’. D’accordo con Sarà (1998), la relazione tra ‘selezione’ e  ‘constraint’ è ‘reciproca’ ; questa ‘reciprocità’ può condurre al sorgere di nuovi ‘fenotipi ereditabili’, nel senso che questi fenotipi sono il risultato sia dell’ ‘estrinsecazione’ del loro genoma sia del loro ‘epigenoma’. Olisticamente, l’essere vivente va considerato come un ‘intero biologico’ e non come un ‘semplice montaggio’ di parti separate. Una esemplificazione di questo complesso ‘processo funzionale’ può essere quello riportato nella figura 2 che si riferisce alla rappresentazione della ‘rete di vincoli’ e del probabile  ‘sistema operativo’; sistema comprendente sia la fase di ‘capacità al costruttivismo’ (Matassino, 1989c, 1992b; Lewontin, 1993, 2004) del singolo organismo che quella ‘selettivo-stocastica’ operativa a livello popolazionistico. Dall’esame della figura 2 si evidenzia come alcuni ‘constraint’ (genetici e filogenetici) e la fase di ottenimento genotipo/fenotipo sono compresi nell’area di ‘transvariazione’ fra le due fasi: organistico ‘costruttiva’ e popolazionistico ‘selettivo-stocastica’. Certamente, in questo contesto non avrebbe semanticità un approfondimento del meccanismo biologico comprendente l’effetto dei ‘constraint’ (vincolo).

Ribotipo. Nella realizzazione del fenotipo, grande importanza assume il concetto di ‘ribotipo’ introdotto da Barbieri (1981) quale sistema intermedio tra il ‘genotipo’ e il ‘fenotipo’; tale concetto è stato ripreso da Herbert e Ritch (1999), i quali hanno definito il ‘ribotipo’ come ‘l’insieme della sequenza nucleotidica dell’RNA di un individuo’, sottolineando l’importanza della sua funzione negli organismi eucarioti.

In accordo con Sarà (2002), il DNA sarebbe solo un genoma ‘virtuale’ nel senso che esso non specificherebbe ‘direttamente’ il fenotipo, ma solo il ‘possibile’ fenotipo attraverso gli RNA .  Si ritiene che l’RNA, coniugando capacità  catalitica e  informativa, abbia svolto una funzione fondamentale per l’origine della vita (cosiddetto ‘mondo a RNA’). Successivamente, si sarebbe evoluta la triade ‘DNA-RNA-proteine’ in cui l’RNA eserciterebbe una funzione fondamentale di ‘raccordo’. Fondamentale per la formulazione dell’ipotesi dell’RNA quale molecola ‘primordiale’ è stata la ‘scoperta’ della funzione ‘autocatalitica’ o di ‘self splicing’ dell’RNA (ribozima); il ribozima, quale traccia determinante del passato conservata nella biochimica delle cellule attuali,  può essere quindi considerato un ‘fossile molecolare’ (Cech et al., 1981).

 Kun et al. (2005) hanno evidenziato che i ribozimi tollererebbero positivamente eventi di mutazione ‘multipla’[32], anche con una frequenza di errore pari a 1 nucleotide[33] ogni 1000, senza un’alterazione della propria funzionalità; la possibilità di conservazione di detta funzionalità sarebbe assicurata dalle seguenti condizioni:

(a)  mantenimento della struttura secondaria quale fattore chiave per l’attività enzimatica;

(b)  conservazione di regioni ‘critiche’ nella molecola a livello delle quali la natura della base azotata presente è fondamentale.

 Sulla base di simulazioni informatiche si è stimato che i ribozimi potrebbero raggiungere lunghezze di 7000÷8000 nucleotidi pari a circa 50÷100 segmenti di DNA codificanti ‘polipeptide/i’; valore, quest’ultimo, che non si discosterebbe molto dal numero minimo di segmenti di DNA codificanti ‘polipeptide/i’ ritenuto essenziale per garantire la vita a un organismo semplice quale un batterio. Ciò supporterebbe  l’ipotesi dell’ ‘autonomia primordiale’ dell’RNA.

Il ‘ribotipo’ avrebbe un ruolo centrale nel processo evolutivo. Secondo Herbert e Rich (1999),  i differenti ‘ribotipi’ potrebbero essere sottoposti a selezione naturale in base ai fenotipi prodotti anche se questa selezione implica la necessità di ereditare i fenotipi ‘di successo’.

L’importanza del ribotipo come ‘agente intermediativo ed evolutivo’ nella cellula è stata evidenziata da Barbieri (1998) sulla base dell’esistenza di codici legati all’RNA: 

(a)   codice genetico che si esprime nella formazione del trascritto primario (pre-mRNA);

(b)   codice che regola una ‘prima tappa’ epigenetica post-trascrizionale (splicing[34] ed editing[35] del pre-mRNA);

(c)   codice che regola una ‘seconda tappa’ epigenetica  post-trascrizionale (traduzione dell’mRNA in polipeptide).

Attraverso questi tre codici, con particolare riferimento agli ultimi due (‘plurimi’[36] e ‘dinamici’), l’informazione passa da un tipo di molecola a un altro con un concomitante ‘salto di significato’ del messaggio iniziale rendendo il fenotipo ‘dinamico’ e ‘creativo’. L’ipotesi dei ‘codici plurimi’, ognuno dei quali rappresenta una ‘finestra’ aperta agli ‘stimoli periferici’ esogeni ed endogeni, conferisce una visione ‘organismica’ dell’integrazione ‘genotipo’-‘fenotipo’ con un aumento dei ‘gradi di libertà’ del sistema, considerando che ogni codice corrisponderebbe a un grado di libertà (Sarà, 2002).

3.1. Epigenetica

Il ‘codice genetico’ può essere ritenuto il ‘prototipo’ di infiniti sistemi di vita fortemente flessibili grazie all’influenza dei fattori epigenetici (Matassino, 1992b).

Le recenti acquisizioni scientifiche evidenziano in modo sempre piú incontrovertibile l’importanza dell’epigenetica che, in senso lato, può essere intesa come: ‘modificazioni temporanee o permanenti dell’attività dei segmenti di DNA  codificanti ‘polipeptide/i’ dovute all’effetto dei fattori ambientali (Matassino, 1999).

L’epigenetica è stata definita da Wolffe e Matzke (1999), in senso stretto come: ‘lo studio dei cambiamenti ereditari nell’espressione del DNA senza il verificarsi di un cambiamento nella sequenza dello stesso’.

Tenendo conto delle suddette due definizioni saranno presi in esame:

(a)  epimutazione;

(b)  paramutazione;

(c)  polifenismo;

(d)  ‘impronta genitoriale’ (‘parental imprinting’) con riferimento, segnatamente, alla manifestazione fenotipica  ‘callipige’ .

Inoltre, particolare enfasi sarà data alla cronogenetica e alla cronobiologia, fenomeni biologici che possono essere considerati l’effetto di un compromesso tra l’‘orologio biologico’ interno e gli agenti ‘sincronizzatori’ esterni.

Il ‘sistema epigenetico’ regola l’ espressione dei segmenti di DNA nella fase sia pre-trascrizionale sia post-trascrizionale e, di conseguenza, regola i processi di differenziamento cellulare e la morfogenesi. In primo luogo, il ‘sistema epigeneti