Basi molecolari della biodiversita

Basi molecolari della biodiversità
Giuseppe Macino
Dip. Biotecnologie Cellulari ed Ematologia
“Sapienza” Università di Roma
Milioni di specie diverse, dalle forme più varie, capaci di vivere in ambienti diversissimi ormai da
tre miliardi di anni. A cosa è dovuta tutta questa variabilità? Naturalmente tutto dipende dal DNA e
dai geni che vi sono codificati.
Durante gli anni 90 del secolo scorso sono stati sequenziati interi genomi, da quelli batterici fino a
quello dell’uomo e, con sorpresa, si è capito che i genomi, per esempio degli eucarioti, non sono poi
così diversi fra loro. Il numero di geni di un insetto (15000) o di un verme (18000) è abbastanza
simile a quello di un mammifero (20000). Nei mammiferi, dal più piccolo roditore alla balena
passando per l’uomo il numero dei geni è costante. Per di più si è osservato che durante
l’evoluzione la maggioranza dei geni è conservata tra specie molto lontane e che questa
conservazione riguarda anche i geni degli organismi unicellulari come i lieviti e le alghe. Se si
focalizza l’analisi ai genomi dei mammiferi si nota che non solo il numero dei geni è conservato
(20000), ma che la sequenza stessa dei loro nucleotidi è cambiata pochissimo.
Allora da che cosa dipende la enorme variabilità di forme e di specie presenti in ogni ambiente del
nostro pianeta?
La prima considerazione da fare è che, per esempio nell’uomo, la porzione codificante del genoma
corrisponde solamente il 3% del totale. Il resto del genoma è costituito da sequenze brevi altamente
ripetute, fino a milioni di volte, da sequenze virali e retrovirali con alto numero di copie fino a
diverse decine di migliaia, da trasposoni e retrotrasposoni anch’essi molto numerosi. Le sequenze
geniche, quindi, sono piccole isole in un mare di DNA che apparentemente non ha funzione. Solo
apparentemente però. Le regioni del DNA immediatamente a monte del sito di inizio della
trascrizione hanno una funzione regolatrice della trascrizione stessa in quanto ad esse si legano
proteine specifiche, chiamate fattori trascrizionali, con la funzione di attivare o inibire la
trascrizione del gene immediatamente a valle.
Rimane peraltro al domanda: cosa rende possibile, che un numero di geni così limitato, codificanti
le stesse proteine in organismi molto diversi tra loro, come i mammiferi, gli insetti, i vermi, possano
specificare forme così diverse tra le varie specie? La scoperta dei geni omeobox e della loro
regolazione trascrizionale ha permesso di spiegare questo paradosso apparente. I geni omeobox
hanno la funzione di specificare interi settori embrionali e regolano l’espressione di centinaia di
geni specifici dedicati alla costruzione dei vari organi. Alterazioni della loro espressione porta ad
una nuova geografia dell’embrione con possibilità di generare nuove specie.
Oggi sappiamo che quasi tutto il DNA dell’uomo, ed anche degli altri mammiferi studiati, è
trascritto in RNA. Attraverso diversi meccanismi l’RNA (ora chiamato RNA non-codificante,
ncRNA) viene maturato in frammenti più piccoli che vanno dalle poche centinaia di basi fino a 20
nucleotidi. Questi ncRNA hanno la funzione importantissima di ridurre moltissimo la propagazione
degli elementi mobili. Vengono prodotti da un meccanismo di difesa delle cellule che riconosce
l’ncRNA e lo degrada ad opera di enzimi (RNAsi di tipo III) in frammenti brevi. I piccoli ncRNA
vengono successivamente riconosciuti da proteine specifiche che li legano a sé per utilizzarli poi in
vario modo. Ad esempio, per riconoscere sequenze complementari derivate dalla trascrizione dei
geni virali o dei trasposoni ed indurne la degradazione. Oppure, per riconoscere sequenze di DNA
complementari ed indurre la modificazione della cromatina. Infine, queste stesse proteine possono
legarsi agli RNA messaggeri per bloccarne o modularne la traduzione in proteine. Una particolare
classe di ncRNA prende il nome di microRNA. Queste molecole piccole, di appena 20 nucleotidi,
sono codificate da geni cellulari ed hanno funzioni regolatrici durante lo sviluppo di tutti gli
eucarioti, dai vermi fino all’uomo. Il loro mancato funzionamento è alla base di patologie gravi. La
variazione di espressione di singoli microRNA ha il potenziale di alterare lo sviluppo di un
organismo ed essere letale. Oppure di produrre speciazione e quindi aumentare la biodiversità.
Collettivamente tutti questi processi prendono il nome di silenziamento genico. Costituiscono i
meccanismi molecolari alla base della grande biodiversità presente e passata. La loro comprensione
aiuterà a rendere più chiara la grande complessità dell’evoluzione.