COME E' STATO SCRITTO IL LIBRO DELLA VITA: L'EVOLUZIONE DEI GENOMI

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2 COME E' STATO SCRITTO IL LIBRO DELLA VITA: L'EVOLUZIONE DEI GENOMI Fabio Marroni Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali, Università di Udine fabio.marroni@uniud.it

3 Come cambia il genoma: le mutazioni Mutazione: modifica stabile ed ereditabile della sequenza del DNA Le mutazioni possono avere dimensioni che vanno da un singolo nucleotide a milioni e milioni di nucleotidi.

4 Ruolo delle mutazioni Il mio professore di zoologia diceva sempre: Le mutazioni sono i generatori della variabilità su cui la selezione agisce. Senza mutazioni non ci sarebbe evoluzione.

5 Ruolo delle mutazioni Domanda: quindi più mutazioni insorgono meglio è perché si accelera l'evoluzione?

6 Ruolo delle mutazioni Domanda: quindi più mutazioni insorgono meglio è perché si accelera l'evoluzione? Risposta: non proprio. Spiegazione: La gran parte delle mutazioni che hanno un effetto (infatti ci sono tantissime mutazioni che sono dette neutre o neutrali perché non hanno effetti sul fenotipo) hanno effetto negativo. Però, i fortunati possessori della mutazione vincente miglioreranno il loro adattamento all'ambiente. Quindi, un livello intermedio di variabilità è la cosa migliore.

7 Tipi di mutazioni Le mutazioni sono classificate in base alle loro dimensioni. Le mutazioni piccole sono dette SNPs, indels (o piccole inserzion/delezioni), microsatelliti (o STRs o SSRs ecc.) Le mutazioni di dimensioni maggiori sono dette varianti strutturali.

8 SNP: single nucleotide polymorphism Mutazione genetica dovuta alla sostituzione di un nucleotide (ad esempio A) con un altro (ad esempio C)

9 Le indels Mutazioni genetiche in cui vengono aggiunti (o rimossi) uno o più nucleotidi.

10 Mutazioni Sample A CACCTAGACGT ACGGTAATCGT Sample B CACCCAGACGT ACGGCGATAATCGT TCGGCTAACGT SNP Deletion in B or insertion in A Insertion in B or deletion in A TCGGCTAAACGT

11 Effetto delle mutazioni sulla sequenza aminoacidica 1bp deletion: AUG CGU ACC CGA AUA ACA UAA (Met Arg Thr Arg Ile Thr *) AUG GUA CCC GAA UAA CAU AA (Met Val Pro Glu * His) 3bp deletion: AUG CGU ACC CGA AUA ACA UAA (Met Arg Thr Arg Ile Thr *) AUG ACC CGA AUA ACA UAA (Met - Thr Arg Ile Thr *) Non-synonymous SNP: AUG CGU ACC CGA AUA ACA UAA (Met Arg Thr Arg Ile Thr *) AUG CCU ACC CGA AUA ACA UAA (Met Pro Thr Arg Ile Thr *)

12 Varianti strutturali In genere si indicano come varianti strutturali le varianti che hanno una dimensione maggiore alle 1000 basi.

13 Effetto delle varianti strutturali

14 Duplicazioni cromosomiche Sono un altro esempio di varianti strutturali. Ad esempio questo accade nella sindrome di down dove il paziente nasce con tre copie del cromosoma 21. Infine, cosa incredibile, esistono delle duplicazioni che coinvolgono l'intero genoma. Si chiamano poliploidizzazioni, e ne esistono tracce in natura.

15 La dimensione del genoma La dimensione del genoma è estremamente variabile da specie a specie. La presenza di sequenze ripetute ovviamente è uno dei fattori chiave nel determinare la dimensione, oltre alla presenza di duplicazioni di parte del genoma o addirittura tutto il genoma.

16 La dimensione del genoma Saremmo tentati di associare la dimensione del genoma a caratteristiche delle specie, quali ad esempio la complessità, ma non è così facile. Ad esempio i protozoi ciliati hanno genomi molto grandi, così come alcune salamandre. Una relazione che alcuni autori ritengono esista è tra la dimensione del genoma delle piante e presenza delle piante stesse in ambienti estremi. Le piante che vivono in ambienti estremi hanno in genere ciclo annuale. Le piante a ciclo annuale devono ogni anno ricostruire l'intero organismo, pertanto replicare genomi più grandi costitutirebbe per loro un sostanizale aumento di energia. Altre ipotesi invece mettono in relazione la dimensione della popolazione con la dimensione del genoma. In breve: il genoma tende ad ingrassare a causa delle duplicazioni, e a dimagrire a causa della selezione per genomi piccoli ed efficienti. Però, se la dimensione della popolazione è piccola, la selezione agisce più lentamente.

17 Dimensione del genoma e dimensione della popolazione

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19 Contenuto in geni Abbiamo già visto (nella prima lezione) che uno dei compiti che rimanevano da eseguire dopo il sequenziamento era scoprire quali e quanti fossero i geni del genoma umano. Prima degli anni 2000, la stima del numero di geni era intorno ai Dopo aver sequenziato e caratterizzato il cromosoma 22 si capì che il genoma umano è meno ricco di geni di quanto si credesse. Estrapolando al genoma i risultati del cromosoma 22 si sarebbe ottenuta una stima di geni. James Watson, per sua stessa ammissione, riteneva ci fossero circa geni. Attualmente si ritiene che i geni siano tra i e i a seconda della definizione di gene.

20 Species and Common Name Estimated Total Size of Genome (bp)* Estimated Number of Protein-Encoding Genes* Saccharomyces cerevisiae (unicellular budding yeast) 12 million 6000 Trichomonas vaginalis 160 million Plasmodium falciparum (unicellular malaria parasite) 23 million 5000 Caenorhabditis elegans (nematode) 95.5 million Drosophila melanogaster (fruit fly) 170 million Arabidopsis thaliana (mustard; thale cress) 125 million Oryza sativa (rice) 470 million Gallus gallus (chicken) 1 billion Canis familiaris (domestic dog) 2.4 billion Mus musculus (laboratory mouse) 2.5 billion Homo sapiens (human) 2.9 billion 20,000-23,000 20,000-25,000 Pray L. 2008, Eukaryotic Genome Complexity, Nature Education

21 Watson J. 2003, DNA, the secret of life

22 Le famiglie geniche Siamo oramai convinti che il numero di geni dell'uomo sia intorno ai Tuttavia, molti di essi sono molto simili uno all'altro e sono raggruppati in famiglie geniche. Questi sono geni che hanno sequenze molto simili. Può succedere infatti che durante la meiosi alcuni pezzi di cromosoma vengano duplicati mediante un meccanismo detto crossing-over ineguale, così che un cromosoma figlio avrà due copie del gene e uno ne avrà zero. Dopo molti anni (centinaia di migliaia) i geni duplicati possono avere sequenze decisamente diverse.

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24 Le famiglie geniche: Alu Ci sono anche dei casi eclatanti. Alu è un piccolo gene (circa 300bp), eppure rappresenta il 10% del genoma umano, perché si è duplicato migliaia di volte. I motivi di questa espansione non sono ancora conosciuti.

25 Una duplicazione recente In mais il gene MATE1 può subire duplicazione. Gli individui con più copie vengono favoriti dalla selezione naturale perché sono più resistenti alla presenza di alluminio nel suolo.

26 Sequenze ripetute Abbiamo visto già due esempi di sequenze ripetute. Le Alu, e il gene MATE1 che in alcune piante di mais subisce una triplicazione. Tuttavia, quando si parla in genere di sequenze ripetute, ci si riferisce a sequenze più simili alle Alu, che hanno molte decine di copie in un genoma. Molte di queste sequenze hanno (o hanno avuto) la capacità di replicarsi e inserirsi in varie parti del genoma e per questo motivo sono dette elementi trasponibili o trasposoni.

27 Trasposoni I trasposoni furono scoperti da Barbara McClintock negli anni '50. Notando che durante lo sviluppo alcuni chicchi di mais cambiavano colore, la McClintock ipotizzò la presenza di qualche elemento genetico mobile che si inseriva o si estrudeva dal gene del pigmento. Oggi si sa che questi elementi sono effettivamente i trasposoni (che in mais sono particolarmente abbondanti), ma all'epoca la teoria della McClintock non ebbe molto seguito.

28 Modalità di trasposizione I trasposoni contengono al loro interno geni che codificano per proteine necessarie al processo di trasposizione. Alcuni trasposoni si replicano mediante un intermedio a RNA (come alcuni virus, tra cui il virus dell'hiv), mentre altri si replicano mediante intermedio a DNA (come moltissimi altri organismi, incluse le cellule umane). I trasposoni che si spostano mediante intermedio a RNA sono detti di classe I, o retrotrasposoni, e si spostano mediante meccanismo detto copia-e-incolla I trasposoni che si spostano senza intermedio a RNA sono detti di classe II e si spostano mediante meccanismo detto taglia-e-incolla

29 Effetti dei trasposoni Lo spostamento dei trasposoni può avere effetti visibili. Ad esempio se un trasposone si inserisce in un gene potrebbe alterarne o sopprimere la funzione. Spesso i trasposoni si inseriscono in regioni che non contengono geni. Anche in questo caso possono influenzare la funzione dei geni. Come accade con altre mutazioni, questi eventi spesso causano danni, ma in rari casi possono portare un vantaggio evolutivo.

30 Significato evolutivo dei trasposoni I trasposoni sono delle entità autoreplicanti. Se sposiamo le tesi di Richard Dawkins (espresse ne Il gene egoista ) i trasposoni tendono ad espandersi. Tuttavia, ci sono meccanismi di difesa che tendono a contenere il movimento dei trasposoni. Dal punto di vista evolutivo, avere un genoma compatto è un vantaggio, perché è più facile da replicare. D'altronde, il movimento dei trasposoni crea variabilità genetica che in certe circostanze può essere utile. L'equilibrio viene raggiunto per ogni specie a livelli molto diversi di presenza di trasposoni nel genoma. Alcune specie ne hanno molti, altre ne hanno pochi.

31 I trasposoni e la teoria del gene egoista La presenza di così tanti trasposoni inutili nel genoma umano ha rafforzato la teoria del gene egoista, secondo cui la selezione agisce a livello di singolo gene, ma ha anche contribuito a far sì che si comprendesse meglio come la teoria del gene egoista possa in qualche modo essere conciliata con la teoria dell'evoluzione che agisce a livello individuale. Quindi, i trasposoni che si moltiplicano più rapidamente sono quelli che hanno maggior vantaggio evolutivo. Però, se i trasposoni si moltiplicano troppo rapidamente, rischiano di causare danni all'individuo che ospita le cellule in cui si trovano i trasposoni. Se l'individuo in questione muore senza riprodursi, i trasposoni in questione saranno dei perdenti, perché non potranno più riprodursi nemmeno loro.

32 Interazione trasposoni-genoma I trasposoni, come abbiamo visto, possono causare alterazioni di funzione, interrompendo sequenze geniche o regioni di regolazione. Per questo molti organismi hanno meccanismi di soppressione dell'attività dei trasposoni. Molti di questi meccanismi vengono meno in situazioni di stress (che sia un comportamento evolutivamente vantaggioso?). Infine, non è escluso che alcuni trasposoni vengano esattati cioè adattati dal genoma ad una nuova funzione.

33 Un trasposone famoso

34 Identificazione dei geni All'epoca del progetto genoma umano c'era anche un altro grande problema: come si poteva distinguere un gene da una cosa che non è un gene? Ci sono dei metodi per identificare i geni sulla base della sequenza. Tuttavia, tutti questi metodi sfruttano un principio basilare. Il gene che codifica per una proteina nell'uomo sarà presumibilmente al gene che codifica la stessa proteina nel topo. I maniaci possono portare anche questo ragionamento all'estremo. I geni di un mammifero sono in genere caratterizzati da alcuni pattern (iniziano con una tripletta, hanno esoni di una certa dimensione media ecc.) che rimangono abbastnza costanti nei mammiferi. Per cui, se io conosco alcuni parametri di geni dei mammiferi posso scoprire i geni di un mammifero fino ad oggi sconosciuto.

35 Una curiosità nella storia del genoma umano Scimpanzé, gorilla e orango possiedono tutti 48 cromosomi, mentre l'uomo ne possiede 46. Le bande cromosomiche G sembrano suggerire che il cromosoma 2 umano sia originato in seguito alla traslocazione robertsoniana tra due cromosomi dei primati. Tale traslocazione ha prodotto anche un cromosoma più piccolo, che probabilmente è stato perso. La traslocazione robertsoniana potrebbe essere all'origine della differenza del numero di cromosomi tra uomo, orango, gorilla e scimpanzé.

36 Evoluzione del genoma La traslocazione robertsoniana mi è utile per raccontarvi due cose. 1) L'evoluzione del genoma comprende alcuni riarrangiamenti (traslocazioni, inversioni) di porzioni significative di cromosomi, che sembrano essere avvenuti senza particolari traumi. 2) Lo studio del cariotipo (cioè la rappresentazione dei cromosomi) è stato utile per comprendere molti fenomeni di evoluzione attraverso quella che potremo definire la Genomica Comparativa.

37 Evoluzione del genoma In particolare la traslocazione robertsoniana di cui abbiamo parlato ha fatto sì che due cromosomi di scimpanzè, gorilla e oranghi si fondessero e dessero, nell'uomo un solo cromosoma due. Il gibbone, addirittura, contiene le sequenze del cromosoma due umano suddivise in almeno quattro cromosomi. Questo vuol dire che nell'albero evolutivo dei primati ci sono stati almeno due grandi eventi. La fusione nell'uomo e una suddivisione in gibbone. 2 Cromosomi Antenato comune dei primati 1 Cromosoma Uomo 2 Cromosomi Scimpanzé, Gorilla, Macaco 4 Cromosomi Gibbone

38 Evoluzione del genoma Dopo il completamento del progetto genoma umano, conoscendo la sequenza di quasi tutte le basi del genoma, si possono osservare anche fenomeni più nel dettaglio. In uomo il gene NP è sul cromosoma 14, e il complesso PKM2-MP1-HEXA è sul 15. Questo accade anche negli scimpanzè, mentre nei macachi rhesus, nei babbuini e anche nei maiali è sullo stesso cromosoma. Questo significa che un antenato comune di uomo e scimpanzé ha subito una traslocazione che ha fatto sì che i due geni venissero a trovarsi su cromosomi diversi. Proviamo a disegnare l'albero...

39 Genomica e preistoria umana La ricostruzione dell'origine dell'uomo ha sempre affascinato i ricercatori. La conoscenza della sequenza del genoma umano e di specie antiche come l'uomo di Neanderthal ha consentito di approfondire le nostre conoscenze sull'argomento. Ad esempio, mentre le prime analisi effettuate sul DNA mitocondriale sembravano suggerire che Homo sapiens e Homo neanderthalensis non avessero avuto interbreeding, i dati attualmente disponibili sull'intero genoma sembrano suggerire che ci siano stati incroci tra le due specie.

40 Filogenetica Questa disciplina studia la parentela tra le varie specie presenti sul pianeta. Secondo la teoria del molecular clock è possibile utilizzare il numero di mutazioni osservate in varie sequenze (si preferiscono le sequenze neutrali) per ottenere una stima della distanza in generazion tra due determinate specie e il loro antenato comune. Le sequenze neutrali sono quelle sequenze le cui variazioni non hanno effetti sul fenotipo, e pertanto non sono soggette alla selezione naturale.

41 Genomica e (ultra)preistoria Confrontando le sequenze di vari organismi si riesce a capire quali sono le loro relazioni filogenetiche. Il prossimo passo è la filogenomica, in cui per tali misure useremo non solo pochi geni, ma tutto il genoma. La filogenomica è già utilizzata per i procarioti, mentre per gli eucarioti la situazione è un po' più complicata.

42 Sequenze conservate Un interessante progetto ha sequenziato una piccola (1.8 Mb) porzione del genoma umano e di altre 11 specie e le ha confrontate. Questa porzione contiene tra le altre cose un gene le cui mutazioni causano la fibrosi cistica. I ricercatori hanno identificato in questa regione numerose sequenze conservate in tutte le specie. La cosa interessante è che molte di queste sequenze non si trovano nei geni, né in elementi di regolazione noti. Tuttavia, se si sono conservate in milioni di anni di evoluzione, possiamo immaginare che ci sia un motivo, cioè che la loro sequenza abbia una funzione.

43 Oltre il genoma: il pan-genoma 25% 50% 25% core Mo17 B73 genome dispensable genome Per descrivere pienamente il genoma di una specie ci vogliono vari genomi individuali. Il contenuto in geni e in sequenza può variare da individuo a indivduo.

44 Composizione del pan-genoma A cosa è dovuto il pan-genoma?

45 Composizione del pan-genoma A cosa è dovuto il pan-genoma? Alle Varianti Strutturali

46 Identificazione delle varianti strutturali Usango NGS

47 Letture James Watson: DNA, the secret of life, Alfred A. Knpof, 2004 Richard Dawkins: The Selfish Gene, Oxford University Press, 1976 T. Ryan Gregory (Editor): The Evolution of the Genome, Elsevier, 2005

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