2014.23.evoluzione genetica - Dipartimento di Biologia e

Evoluzione gene9ca I MECCANISMI DELLA VARIAZIONE GENETICA Dentro a una specie, siamo tuG eguali, ma siamo tuG diversi: abbiamo gli stessi geni, funzionano nella stessa maniera, ma ci sono piccole diﬀerenze che ci fanno a tuG diversi e che sono alla base della selezione naturale e della evoluzione. Come si crea tuMa questa diversità? Quali sono i meccanismi gene9ci che generano variazione? -‐> Ques9 meccanismi creano piccole variazioni su elemen9 già esisten9: non si creano geni nuovi dal nulla, si modiﬁcano quelli esisten9 poco a poco, in maniera che la varietà esistente si è creata lungo miliardi di anni di evoluzione. Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Evoluzione gene9ca Il trasferimento d’informazione gene9ca può essere: -‐  Orizzontale: fra due individui ‘adul9’. Normale nei procario9. -‐  Ver9cale: dai progenitori alla progenie. Il trasferimento ver9cale in organismi di riproduzione asessuale è semplice: si fanno due coppie del DNA e ogni cellula della progenie riceve una copia iden9ca. In mol9 casi il trasferimento ver9cale avviene per riproduzione sessuale, che complica le cose… Le cellule che portano l’informazione sono le cellule germinali (game9), proceden9 della linea germinale. Le altre sono le cellule soma3che, che esistono per propagare le cellule germinali. La riproduzione sessuale comporta la mescola del materiale gene9co dei progenitori nella progenie. PROGENIE GENITORE Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Evoluzione gene9ca Solo le mutazioni che interessano le cellule germinali passano alla progenie. GENITORE PROGENIE Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Evoluzione gene9ca I meccanismi principali per generare diversità gene9ca Mutazione dentro un gene Mutazione in regione di controllo Duplicazione genica Rimescolamento degli esoni Trasferimento orizzontale Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Evoluzione gene9ca Le mutazioni pun3formi Cambiamen9 di un paio di basi, causa9 da errori nella replicazione e/o riparazione del DNA dopo danno chimico/ﬁsico. Possono avvenire nella sequenza codiﬁcante o non codiﬁcante del DNA ed essere: -‐ Neutre: in DNA non codiﬁcante; non cambiare il aa; o fare un cambio innocuo. -‐  Deleterie: causano malaGe gene9che o cancro. -‐  Posi9ve per il gene colpito e per l’organismo, e selezionate posi9vamente dalla evoluzione. Quando le mutazioni occorrono nel DNA codiﬁcante, il loro eﬀeMo è solitamente facile da rilevare. Quando avvengono nel DNA non codiﬁcante ma a caraMere regolatore, il loro eﬀeMo è più diﬃcile da rintracciare, ma può essere molto importante. Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Evoluzione gene9ca Come misurare le mutazioni puntuali in Escherichia coli E. coli: 1 mutazione ogni 10^9 nucleo3di per generazione Umani: 1 mutazioni ogni 10^10 nucleo3di per generazione Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Evoluzione gene9ca Un esempio di mutazioni puntuali in sequenze di regolazione che si sono stessi velocemente: la tolleranza al laMosio. 10.000 anni fa, gli umani adul9 non esprimevano più l’enzima per digerire il laMosio ed erano intolleran9. Dopo: Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Evoluzione gene9ca E un esempio di come mutazioni in sequenze di regolazione possono causare cambiamen9 durante lo sviluppo e così diversiﬁcazione delle specie. Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Evoluzione gene9ca Le duplicazioni geniche Un gene si duplica, creando una copia iden9ca, che ora è ‘libera’ di mutare per cambiare (divergenza genica) e originare un nuovo gene. Così si creano famiglie di geni, lungo milioni di anni. Geni di Bacillus sub/lis secondo la sua divisione in famiglie Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Evoluzione gene9ca Come si duplicano i geni? Un meccanismo importante è per errori durante la ricombinazione omologa: Questo fenomeno può originare lungo milioni d’anni intere famiglie di geni simili organizza9 in tandem. Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Evoluzione gene9ca Il caso dei geni globinici: la globina primi9va (oggi si trova in vermi, inseG e pesci primi9vi) si è evoluta per duplicazione e divergenza, creando la emoglobina fetale ed adulta dei mammiferi aMuali. Cromosoma 16 (allosterica) Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Evoluzione gene9ca Ma non solo si duplicano i singoli geni: ci sono sta9 casi, non tanto rari, dove si è duplicato l’intero genoma di un organismo: dopo la duplicazione del DNA nella cellula germinale, questa non si è divisa, e ha conservato due coppie iden9che di tuMo il genoma, che sono passate a un organismo della progenie, il quale ora porterà in tuMe le sue cellule un set completo extra di geni. Ansi, a volte il numero di geni si è mol9plicato due volte lungo l’evoluzione, generando organismi con oMo copie di ogni gene (famiglia del salmone e le carpe). Xenopus tropicalis Diploide (due set) Xenopus laevis Tetraploide (quaMro set) Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Evoluzione gene9ca Le duplicazioni e rimescolamento degli esoni L’organizzazione modulare dei geni in esoni e introni permeMe facilmente la duplicazione di unità di espressione, gli esoni, al interno di un gene, come accaduto con il dominio immunoglobulina degli an9corpi. Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Evoluzione gene9ca E il mescolamento di esoni diversi per fare nuove proteine, faMe da combinazioni di domini proteici. Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Evoluzione gene9ca Gli elemen3 gene3ci mobili o trasposoni Sono piccole sequenze di DNA che si trovano sparse nel genoma, non fanno geni u9li per le cellule ‘ospite’, ma codiﬁcano spesso proteine (trasposasi) per il proprio ‘movimento’: spostamento da un posto ad altro del DNA (trasposizione). Nel genoma umano, sommano quasi il 50% di tuMo il DNA!!! Ma la maggioranza di loro non si spostano più, hanno accumulato troppe mutazioni deleterie. Nei baMeri, i trasposoni includono a volte geni per la resistenza agli an9bio9ci. Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Evoluzione gene9ca Alcuni trasposoni esistono solo come DNA, e si possono spostare senza copiarsi o copiandosi per lasciare una copia dietro e inserire un’altra in un posto nuovo. Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Evoluzione gene9ca Altri trasposoni, i retrotrasposoni, codiﬁcano pure una trascripMasi inversa, passano da DNA a RNA, e poi si copiano di nuovo a DNA e s’inseriscono in pos9 nuovi. Negli umani, ci sono due famiglie principali di retrotrasposoni: L1 e Alu. Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Evoluzione gene9ca Quando i trasposoni s’integrano in un nuovo posto del DNA, possono rovinare un gene: l’inserimento di un trasposone L1 nel gene del faMore VIII di coagulazione ha causato emoﬁlia in un paziente che era ﬁglio di genitori sani. O possono alterare il controllo della espressione genica, colpendo una sequenza regolatrice o introducendo una sequenza di regolazione nuova (codiﬁcata dal trasposone), che può alterare lo sviluppo del organismo. Questo meccanismo può avere contribuito in maniera importante a modiﬁcare lo sviluppo di piante e animali. Ad esempio, nella Drosophila un trasposone può aGvare la formazione di zampe nelle cellule che di solito formane le antenne: Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Evoluzione gene9ca I trasposoni, essendo sequenze ripetute lungo il genoma, favoriscono la ricombinazione gene9ca. Se due si muovono insieme, si possono portare fra di loro un pezzo di gene contenente, ad esempio, un esone completo: Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Evoluzione gene9ca Nei procario9, c’e pure lo scambio di DNA fra individui della stesa generazione: trasferimento orizzontale di geni per coniugazione baMerica. Ponte riproduGvo formato grazie al pilo sessuale Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Evoluzione gene9ca L’ALBERO GENEALOGICO DELLA VITA Il sequenziamento del genoma completo di una mosca (Drosophila melanogaster, 14.000 geni), un piccolo verme (Caenorhabdi/s elegans, 19.000 geni) e del uomo (Homo sapiens, 25.000 geni) ha evidenziato che l’uomo condivide il 50% circa dei suoi geni con una o tuG e due le spezie d’invertebra9, dopo 600 milioni d’anni d’evoluzione: sono geni omologhi: molto simili in sequenza nucleo9dica, codiﬁcano proteine molto simili in sequenza, struMura e funzione. Abbiamo visto che l’omologia viene modiﬁcata dalle mutazioni: -‐  Quelle dannose non si propagano: l’organismo non si riproduce, la mutazione sparisce. -‐  Quelle neutre s’accumulano nel genoma, e passano alla progenie in maniera casuale. -‐  Quelle vantaggiose si propagano alla progenie e col passare delle generazioni si accumulano dando luogo alla evoluzione delle specie. Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Evoluzione gene9ca La comparazione delle sequenze fra specie permeMe tracciare gli alberi ﬁlogene3ci: alberi genealogici delle specie. Fra specie molto distan9, è meglio comparare geni molto conserva9: DNA e RNA polimerasi, ad esempio. Fra specie più vicine, è meglio confrontare l’accumulazione di mutazioni neutre per vedere la evoluzione. Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Evoluzione gene9ca I genoma di uomini e scimpanzé sono molto simili, sia come sequenza che come organizzazione cromosomica. In vece al confronto con i topi, i due genomi presentano più divergenza, sopraMuMo a livello di localizzazione degli elemen9 mobili e di organizzazione cromosomica (i cromosomi si sono riorganizzato lungo l’evoluzione separata delle due specie). Perﬁno con ques9 cambiamen9, ci sono regioni di sintenia conservata: lunghi traG di DNA dove si è preservato l’ordine dei geni, che si possono confrontare facilmente. A livello di sequenza, gli esoni sono conserva9 meglio che gli introni. Esempio di comparazione fra uomo e topo, 80 milioni d’anni di evoluzione separata: Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Evoluzione gene9ca Il confronto delle sequenze di DNA di diverse specie porta alla iden9ﬁcazione di regioni conservate. Alcune corrispondono a traG codiﬁcan9 (1/3 circa), ma il resto sono regioni non codiﬁcan9: regioni regolatrici e RNA non tradoMo. Questo permeMe iden9ﬁcare regioni importan9 al di fuori della codiﬁcazione di proteine. Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Evoluzione gene9ca Il confronto della sequenza del RNA ribosomale della subunità minore dei ribosomi ha permesso costruire un albero ﬁlogene9co di tuMe le forme viven9, dove emergono tre domini: bacMeri, archea ed eucario9. Prima del uso delle sequenze di DNA per studi evolu9vi, si pensava che tuG i procario9 erano più vicini fra di loro e lontani degli eucario9, in vece non è così: la ﬁlogene3ca molecolare è molto più accurata. Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Evoluzione gene9ca IL GENOMA UMANO Il genoma umano è stato completamente sequenziato (2004): siamo nella era post-‐
genomica, ma ancora manca molto per analizzare, e ci sono tante cose che non si capiscono aﬀaMo. Ma comunque abbiamo imparato tanto. Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Evoluzione gene9ca Ora cappiamo meglio com’è organizzato il nostro genoma… Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Evoluzione gene9ca Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Evoluzione gene9ca Sembrerebbe che i ‘pezzi buoni’ sono pochi in confronto a un sacco di DNA ‘inu9le’??? Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Evoluzione gene9ca Quanto sono diversi gene9camente gli umani? Due umani qualunque (non gemelli) sono diversi gene9camente intorno un 0.1%: 3 milioni di diﬀerenze gene9che in ogni dotazione cromosomica. Queste diﬀerenze sono per lo più polimorﬁsmi di nucleo3de singolo (single nucleo/de polymorphism, snip): cambiamen9 di singoli paia di basi in pun9 del genoma che si trovano in una parte di una popolazione. Gli snips di ogni persona la fanno diversa da tuG gli altri, e contribuiscono alle diﬀerenze feno9piche che ci fanno a tuG diversi. Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Evoluzione gene9ca Cer9 snips si possono correlare alla probabilità di soﬀrire una malaGa. Se si trova una relazione posi9va, l’analisi gene9co precoce si può usare per predire il rischio di sviluppare la malaGa, e questa informazione si può usare a scopo preven9vo. Esempio: rischio di sviluppare diabete di 9po II. Un altro 9po di variazione gene9ca nelle popolazioni umane consiste in duplicazioni o delezioni di lunghi traG di DNA. Queste variazioni sono molto meno frequen9, e a volte il lungo traMo di DNA con9ene anche qualche gene conosciuto. Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Evoluzione gene9ca Nel genoma umano ci sono pure regioni di nucleo9di ripe99vi che sono molto propense alle mutazioni, e che dis9nguono le persone fra di se a livello del loro DNA: sono le impronte del DNA (DNA ﬁngerprin/ng), che permeMono iden9ﬁcare un individuo usando un campione del suo DNA. Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Evoluzione gene9ca Che cosa fa umani agli umani? Gli scienzia9 hanno confrontato il DNA delle regioni più conservate, quelle che perciò sembrano importan9, per vedere quali di esse hanno cambiamen9 più veloci nella evoluzione del uomo (sei milioni d’anni dalla separazione dei scimpanzé). Hanno trovato 50 si9 di questo 9po, e 1/4 circa è vicino a geni coinvol9 nello sviluppo neurale. Di ques9 si9, quello che mostra la ‘evoluzione’ più veloce codiﬁca un RNA di funzione sconosciuta che si produce nella corteccia cerebrale in un momento importante per lo sviluppo cerebrale… Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Evoluzione gene9ca In deﬁni9va, gran parte della funzionalità del DNA è ancora un mistero. Non si capisce ancora che ci fa così diversi dei altri animali, con i quali condividiamo la maggior parte delle nostre proteine. Probabilmente una diversa regolazione del uso di quelle proteine è parte della equazione, così come l’uso di diverse variante delle stesse proteine generate per splicing alterna3vo, un fenomeno che aumenta enormemente la quan9tà di proteine che si possono fare partendo di una quan9tà ﬁssa di DNA. Drosophila melanogaster Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Evoluzione gene9ca Le sequenze di regolazione sono così importan9 che possiamo paragonare i geni a pezzi di Lego e le sequenze di regolazione alle istruzioni per fare una costruzione: i blocchi sono gli stessi in ogni costruzione, ma usando istruzioni diverse si arriva a risulta9 molto diversi! Il progeMo Encode ci insegna che tan9ssimo del DNA consiste in sequenze di regolazione, quindi tante istruzioni per costruire gli organismi che conosciamo. Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Evoluzione gene9ca Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos