Vol. 2° -  XX.9.1.

Radiogenetica

              

Fig. XX. 1 - Wilhelm Conrad Röntgen e i coniugi Pierre e Marie Curie. La fama dei Curie è legata alla scoperta del radio e a studi fondamentali sulla radioattività. Era il 1898 quando comunicarono al mondo scientifico le loro osservazioni che nel 1903, insieme a Becquerel, li portarono al premio Nobel per la fisica e Röntgen li aveva preceduti di 2 anni. Un fine secolo particolarmente radioso quello del 1800!

La quantità di radiazioni assorbite da tessuti irradiati, detta anche dose radiante, si misura con una delle numerose unità disponibili. Il röntgen, rappresentato dalla lettera r dovuta a Wilhelm Conrad Röntgen [1] , definisce la dose di raggi X o g in base alla ionizzazione prodotta. Nei tessuti 1r determina circa due ionizzazioni [2] per m³, equivalente a circa 1,6 X 10¹² coppie di ioni per centimetro cubo. Nonostante si tratti di un numero grande, in realtà è molto piccolo rispetto al numero di atomi presenti in un centimetro cubo di tessuto, che è dell’ordine di 10²³, cioè cento miliardi di volte più grande.

Il rad è un’unità di dose assorbita, equivalente a 100 erg per grammo; questa quantità di energia è lievemente più grande di quella assorbita in seguito all’irradiazione con 1r.

Il danno alle generazioni future si determina solo quando le gonadi vengono direttamente irradiate, oppure quando vengono irradiate le cellule destinate a produrre i gameti nelle prime fasi embrionali. L’irradiazione per necessità mediche di varie parti del corpo con raggi X può comportare un certo grado di esposizione delle gonadi, spesso riducibile usando lastre fotografiche molto sensibili e una schermatura protettiva di tutte le aree che non rivestono l’interesse del momento. Le ovaia, protette dai tessuti pelvici, ricevono una dose più bassa rispetto ai testicoli.

9.1.a. Dose radiante e frequenza delle mutazioni

Il numero di mutazioni indotte dalle radiazioni è proporzionale alla dose e questa proporzionalità si mantiene per dosaggi che siano compresi in un ampio intervallo. Gli insetti, contrariamente ai mammiferi, dopo un’esposizione a molte migliaia di roentgen possono sopravvivere. Non esiste una dose soglia al disotto della quale non si producano mutazioni. Quest’osservazione molto importante è in contrasto con le osservazioni sugli effetti biologici di numerose sostanze chimiche, farmaci compresi, il cui effetto è nullo a basse concentrazioni e diventa nocivo o letale al di sopra di un certo limite.

In contrasto con la constatazione che l’irradiazione degli spermi di Drosofila, sia acuta che cronica, ha un effetto mutageno equivalente, Russell (1958) ha scoperto che una dose somministrata agli spermatogoni del topo in forma cronica e a bassa intensità produce un numero significativamente più basso di mutazioni rispetto alla stessa dose somministrata in forma acuta e ad elevata intensità. Inoltre, le cellule germinali maschili e femminili rispondono in modo differente a varie intensità radianti.

Come conseguenza dell’irradiazione si attivano meccanismi di riparazione che coinvolgono enzimi intracellulari. Se le radiazioni hanno modificato un segmento di gene, il frammento danneggiato può essere tagliato e sostituito da uno normale. Basse dosi permettono sovente alla cellula di riparare il danno genetico indotto, mentre dosi di intensità elevata possono produrre lesioni geniche tali che i processi riparativi risultano inefficaci, e talora si verifica addirittura un danno a carico degli stessi meccanismi riparativi.

Nell’uomo, un esempio interessante di meccanismo di riparazione controllato geneticamente è fornito dalla mutazione recessiva Xeroderma pigmentosum, in cui la cute è estremamente sensibile alla luce ultravioletta, che causa un danno attinico seguito dallo sviluppo di tumori multipli. Quando si irradiano con luce UV colture di cellule cutanee di individui normali e di individui affetti da xeroderma, si può rilevare che spesso le cellule formano legami tra due pirimidine adiacenti, producendo così dei dimeri (pirimidine doppie).

Nelle cellule normali queste porzioni anomale della molecola vengono prontamente tagliate, mentre le cellule dell’individuo con xeroderma eseguono quest’operazione con un’intensità che è meno di un decimo rispetto a quella normale. Inoltre, dopo irradiazione, le cellule normali manifestano dapprima un aumento e poi una riduzione del numero di rotture del DNA a singola elica, mentre nello xeroderma questi cambiamenti non si manifestano, in quanto le cellule sono carenti di un enzima coinvolto nel taglio delle eliche di DNA alterate, per cui sono preclusi sia l’escissione dei dimeri anormali che la conseguente riparazione.

9.1.b. Dose radiante e frequenza delle aberrazioni cromosomiche

Poiché con dosi basse la probabilità di rottura cromosomica è bassa, la probabilità di due rotture, che corrisponde al quadrato della probabilità di una singola rottura, diventa trascurabile. Un aumento della dose determina un aumento proporzionale delle rotture singole, ma anche un aumento esponenziale delle rotture multiple.

Per esempio, una dose che produca rotture singole nell’1% delle cellule irradiate, produrrà due rotture in circa una cellula su 10.000. Raddoppiando la dose, raddoppia il numero totale delle rotture singole (2%), mentre il numero delle cellule con due rotture quadruplica: [2%]² = 4/10.000. In accordo con la teoria, la frequenza delle traslocazioni o delle altre aberrazioni derivanti da due rotture, mostra di essere dose dipendere secondo un rapporto esponenziale invece che lineare; cioè, la curva della frequenza delle traslocazioni resta vicino allo zero per dosi basse, mentre cresce per dosi elevate con una rapidità crescente.

Siccome le traslocazioni e altre aberrazioni dipendono da due o più rotture, ciò implica che il frazionamento della dose, oppure l’irradiazione per un periodo prolungato, non producono necessariamente altrettante aberrazioni cromosomiche di questo tipo, come accade invece in seguito a brevi irradiazioni concentrate.

Se si producono due rotture più o meno simultaneamente nella stessa cellula, lo scambio delle estremità di rottura può determinare una traslocazione. Comunque, se le due rotture vengono prodotte l’una accanto all’altra, può risultarne una traslocazione solamente se il frammento di cromosoma che deriva dalla prima rottura è ancora disponibile per la saldatura al verificarsi della seconda rottura.

In base a studi sulle rotture cromosomiche indotte negli spermi maturi in Drosofila, si è giunti a concludere che le estremità di rottura possono mantenere la propria capacità di fondersi sino alla fecondazione, mentre, in base ad altri studi su rotture indotte in cellule germinali immature, ovvero in cellule somatiche, particolarmente nelle piante, risulta evidente che le estremità di rottura molto presto diventano non più disponibili per le traslocazioni o per aberrazioni analoghe.

Questi fatti sono significativi, se si vuole giudicare l’effetto sui cromosomi umani dell’irradiazione concentrata in un breve arco di tempo o di un’esposizione protratta. Forse non esiste una grande differenza circa la frequenza delle aberrazioni cromosomiche dovute a un urto singolo (200r in una frazione di secondo per un incidente nucleare oppure nell’arco di mesi a seguito di una pesante contaminazione radioattiva), mentre la frequenza delle traslocazioni indotte e degli altri eventi dovuti a urti ripetuti potrebbe essere considerevole nel primo caso, trascurabile nel secondo.

9.1.c. Evoluzione e mutazioni indotte

L’evoluzione delle specie procede servendosi delle mutazioni. Senza variazioni genetiche in seno alle forme preumane non si sarebbe evoluto l’uomo. In base a questa considerazione è nata la convinzione che l’aumento artificiale del tasso di mutazione può essere desiderabile, in quanto può servire ad accelerare ulteriori cambiamenti evolutivi.

Questo modo di vedere ignora il fatto che il pool genico della popolazione umana è già estremamente diversificato, per cui è improbabile che l’incremento di alleli mutanti sia in grado di aggiungere nuovi tipi di alleli; per di più, ignora il fatto che l’evoluzione, cioè lo stabilizzarsi di nuovi sistemi organici dal punto di vista genetico, è un processo molto differente dalla mutazione, in quanto la mutazione si limita semplicemente a fornire alleli diversi.

Siccome il possedere numerosi alleli mutanti è svantaggioso per il portatore, è probabile che ogni specie disponga di un sistema di controllo genetico capace di ridurre la frequenza delle mutazioni, capace anche di garantire una flessibilità sufficiente per l’adattamento e l’evoluzione. Se questo è vero, un aumento artificiale del tasso di mutazione nell’uomo è indesiderabile, anche da un punto di vista evoluzionistico.

Nonostante siano state indotte mutazioni utili per l’uomo, come nel caso del Penicillium notatum allo scopo di produrre elevate quantità di penicillina, esse sono di gran lunga soverchiate dalle mutazioni svantaggiose. Se poi si vogliono produrre mutazioni favorevoli nell’uomo, ciò costerebbe caro per le numerose mutazioni sfavorevoli inevitabili e il problema potrà essere affrontato in modo sereno solo quando si potranno indurre mutazioni utili senza la contemporanea presenza di mutazioni dannose.