Antropologia

Studi antropologici e DNA

Gli studi di carattere antropologico si possono dividere in due step: il primo riguarda la pre-DNA era e il secondo la post-DNA era. Nella prima non si conosceva la struttura del DNA e quindi si studiavano principalmente le proteine e si sviluppavano delle tecniche immunologiche, confrontando la reazione del sangue di diverse specie con numerosi antisieri: specie strettamente imparentate reagiscono in modo simile allo stesso antisiero, per studiare i rapporti filogenetici tra i primati e la nostra specie, e la prima scoperta che fu fatta fu che lo scimpanzé è molto più simile alla nostra specie che al gorilla.

L’antropologia risale ai primi anni sessanta, per cui non si studiò da subito il DNA dato che la sua struttura era stata scoperta solo dieci anni prima, nel 1953, da Watson e Crick.

Nell’era post-DNA, con lo sviluppo di nuove tecnologie legate soprattutto alla affermazione di nuove tecniche di biologia molecolare, PCR, Sequenziamento automatico, MicroArray, Sequenziamento NGS, si assiste a un notevole incremento dei lavori che indagano direttamente le sequenze nucleotidiche del DNA, indagini che permettono di chiarire numerosi aspetti filogenetici, evoluzionistici e popolazionistici.

Intorno al 1995 si iniziano a sviluppare i primi studi su DNA recuperato da individui non moderni, ma antichi, per cui mettere in relazione individui del passato dal punto di vista genetico ci permette di avere maggiori informazioni anche dal punto di vista morfologico. Nella seconda metà degli anni 80 vengono pubblicati i primi studi sul DNA antico, eseguiti su reperti fossili.

Genoma umano

Il termine genoma umano designa l’insieme di tutte le molecole di DNA che sono presenti in ogni cellula del corpo umano eccettuato gli eritrociti. Il genoma umano è suddiviso in DNA nucleare e mitocondriale, che rappresenta un elemento molto importante per gli studi antropologici. Il DNA contiene, all’interno dei geni, tutte le informazioni necessarie per lo sviluppo di un organismo.

La cosa sorprendente è che i geni costituiscono solo il 3% del DNA totale, circa 20.000. Il resto non è codificante ma svolge un ruolo funzionale nella regolazione e nella promozione dell’espressione genica o un ruolo strutturale nell’integrità dei cromosomi durante la divisione nucleare.

Il cariotipo umano è formato da 46 cromosomi, 23 coppie di omologhi, di cui due sono sessuali. Nel maschio il cariotipo sessuale è XY, nella femmina XX.

Nel 2001 fu pubblicata su Nature e Science l’intera sequenza del genoma umano, grazie al progetto Genoma Umano, e oggi le sequenze del genoma umano sono liberamente fruibili sulle banche dati. La cosa sorprendente è che i geni risultano essere in numero decisamente inferiore a quanto stimato, intorno ai 23.224. Appena il triplo della drosofila, circa il doppio di quelli di un anellide, Caenorhabditis.

Adesso la sequenza di riferimento quando si studia il genoma umano è la H20, cioè la ventesima sequenza prodotta da Homo sapiens.

Il genoma umano è composto da circa tre miliardi di nucleotidi in forma diploide, per cui leggere tutte queste informazioni rende necessari dei supporti bioinformatici per gestire questi dati molto complessi.

DNA extragenico e regioni codificanti

Le regioni di DNA extragenico sono importanti perché le mutazioni in queste regioni sono in funzione del tempo e del caso, per cui ci permettono di fare analisi popolazionistiche senza che ci siano influenze selezionistiche, dato che le mutazioni in queste zone non hanno effetti fenotipici. Mentre le regioni codificanti permettono di definire le caratteristiche morfologiche e fenotipiche.

La parte di genoma umano fatta di geni e di regioni correlate a geni rappresenta il 30% del totale, di cui il 27% è dato da materiale correlato ai geni, cioè introni, promotori, pseudogeni, ecc., mentre solo il restante 3% rappresenta la parte codificante, dunque la quantità di genoma codificante nell’uomo è davvero pochissima, cosa che tra l’altro è stata confermata da studi molto recenti. La quantità rilevante è DNA extragenico, il 70% del genoma totale, importante per l’evoluzione molecolare, per biologia e antropologia forense, per la nutrizione.

Il DNA extragenico si suddivide in unico, 55%, e ripetitivo, 15%: il primo è un DNA di sequenze di basi che non si ripetono; il secondo, invece, possiede delle sequenze di basi che si ripetono con dei particolari motivi. Del DNA ripetitivo ne abbiamo una parte interspersa, cioè non localizzabile in punti ben definiti del genoma, di cui fanno parte due famiglie che contengono sequenze più o meno lunghe: SINEs, short interspers elements, con ripetizioni minori di 500 pb; LINEs, long interspers elements, con ripetizioni maggiori di 500 pb.

Quello che ci interessa molto, invece, è il DNA ripetuto a tandem, che si divide in tre grandi famiglie: satellite, mini satellite, micro satellite. Viene utilizzato per il DNA fingerprinting, o DNA a impronta digitale, che si usa quando si vuole fare il riconoscimento individuale. Prima veniva fatto con il mini satellite, dato che è molto variabile da individuo a individuo.

DNA satellite, minisatellite e microsatellite

Il DNA satellite è ripetuto con ripetizioni molto lunghe, cioè ci sono blocchi di basi che si ripetono, di lunghezza superiore anche a 50 pb, quindi non viene molto utilizzato in studi di carattere evolutivo e di riconoscimento individuale, ma costituisce gran parte dell’eterocromatina vicino al centromero.

Poi esiste il mini satellite, di cui fanno parte il telomerico, che si trova nelle parti finali dei cromosomi, i telomeri; e l’ipervariabile che si trova un po’ ovunque, e questo tipo di DNA presenta unità ripetute minori del DNA satellite.

La pecora Dolly fu il primo esempio di clonazione di un mammifero, per cui fu preso un ovulo e vi fu inserito del materiale genetico di una donatrice. La pecora Dolly visse molto poco, perché era stata clonata con del DNA che aveva dei telomeri già vecchi. Quindi questa è una peculiarità del DNA minisatellite telomerico che previene l’invecchiamento.

Il DNA micro satellite, invece, si trova all’interno del nostro genoma e ha ripetizioni molto piccole e in tandem. Questo significa che le ripetizioni a volte possono essere fatte anche da due soli nucleotidi che si ripetono in tandem, ed è un tipo di DNA che viene molto spesso usato per fare il DNA fingerprinting o DNA a impronta digitale, cioè si realizza un profilo molecolare di un individuo.

Per questo motivo è stato cambiato marcatore molecolare, usando gli STR, short tandem repeat.

STR e riconoscimento individuale

Osserviamo queste ripetizioni: abbiamo un STR con ripetizione CA. Individuo eterozigote significa che in quel determinato locus ho sequenze differenti, quindi su un cromosoma avrò un certo numero di ripetizioni STR e sull’altro ne avrò un numero diverso. Invece, se un individuo è omozigote significa che per quel determinato locus si ha lo stesso numero di ripetizioni sui cromosomi omologhi.

Siccome gli STR sono molto polimorfici, significa che per ciascun locus avrò la probabilità di trovare differenti alleli. Ci chiediamo quanti alleli si possono trovare per ciascun locus di un STR polimorfico e da un punto di vista teorico si potrebbero trovare infiniti alleli, dato che potrebbero esserci infinite ripetizioni. Questo ovviamente in natura non avviene.

Quindi essendo un sistema ad alleli infiniti, permette di fare un buon riconoscimento individuale perché c’è un numero di variabilità molto elevato per quei determinati loci. Quindi, se andiamo a analizzare 15-17 loci, con una variabilità di ciascun locus di 10-15-20 alleli, il profilo individuale che deriva dalla variabilità di ciascun allele definisce in maniera specifica un’impronta genetica per quel determinato individuo. Questo è il funzionamento del DNA fingerprinting.

SNP e mutazioni puntiformi

Un’altra categoria di marcatori molecolari sono gli SNP, snip, polimorfismi a singolo nucleotide, che permettono di osservare mutazioni puntiformi sul genoma. Non siamo più nella parte del DNA ripetitivo, ma in quella delle sequenze uniche. Gli SNP possono avvenire sia nel DNA genico che in quello extragenico.

Se ho una SNP in un determinato locus, il numero di alleli possibili per quel locus sono 4, dato che le basi sono 4, per cui a differenza del precedente è un modello ad alleli finiti. Poi biologicamente i cambi più frequenti sono le transizioni, cioè C-T, A-G; mentre quelle meno frequenti sono le trasversioni, cioè C-A, T-G.

Gli SNP nelle regioni non codificanti si utilizzano per studi di popolazioni, mentre quelli sulle regioni codificanti si utilizzano per studi fenotipici. Ad esempio, per la ricostruzione del colore dei capelli e della pelle dell’uomo di Neanderthal si sono analizzati gli SNPs sul gene per MC1R che è il recettore 1 per la melanocortina.

DNA mitocondriale

Un altro marcatore molecolare è il DNA mitocondriale. Nell’uomo ha 16569 pb e l’aspetto interessante è che non in tutti gli uomini ha la stessa lunghezza, ma ci sono popolazioni asiatiche che hanno il mitocondrio deleto che ha 9 pb in meno. Il DNA mitocondriale umano ha 32 geni, non ha introni, non ha DNA ripetitivo e ha una regione non codificante che si chiama D-loop, ansa di dislocazione, dove parte la replicazione del filamento H, heavy, pesante; l’altro, L, è quello leggero e questo dipende a seconda delle C e G che si trovano sui due filamenti.

Nelle banche dati genetiche si trova depositato solo il filamento L. La maggior parte dei geni riguardano la respirazione cellulare, alcuni utilizzati per il DNA barcoding e i geni per le citocromo ossidasi.

L’eredità per sola via materna è importante perché si può tracciare una linea di carattere molecolare che va indietro nel tempo fino a ricostruire il capostipite del DNA mitocondriale ed è quello che è stato fatto anni fa, quando si è parlato della Eva mitocondriale africana, che è la nostra antenata comune più recente appartenente al nostro genere e specie.

Il fatto che non partecipa a fenomeni di ricombinazione ci permette davvero di tracciare una linea molecolare che mi permette di ricostruire la storia evolutiva. L’elevato tasso di mutazione permette di poterlo studiare in periodi temporali brevi, che si adattano bene alla nostra storia evolutiva. Un altro aspetto è che esiste in un numero elevato di copie per cellula e questo permette di poter essere trovato in un campione di DNA degradato.

Intanto, se si eredita per via materna, può essere utilizzato per il riconoscimento parentale e quindi individuale. Allo stesso modo, anche per individuare delle patologie, se la madre ha patologie di carattere mitocondriale le trasmette alla prole e la malattia si svilupperà dato che il DNA mitocondriale è in forma aploide. È utile per studi di carattere evoluzionistico, perché permette di ricostruire la linea genealogica della nostra specie al femminile.

Avere un elevato tasso di mutazione fa sì che possano essere contate ed è uno strumento utile per capire quando due individui o due popolazioni si sono separate da un antenato comune.

D-loop e regioni ipervariabili

Il DNA mitocondriale ha una regione codificante e una non codificante, il D-loop. Questo si divide in tre sotto regioni, chiamate: regione ipervariabile 1, regione ipervariabile 2, regione ipervariabile 3. Regione ipervariabile significa una regione in cui si possono osservare numerose sostituzioni nucleotidiche, per cui è una regione molto interessante dal punto di vista popolazionistico e di riconoscimento individuale. La regione ipervariabile 1, HVR1, va dalla posizione 16024 alla 16383 del DNA mitocondriale.

Mutazioni che avvengono in una regione non codificante avvengono in base al caso e al tempo, perché nelle regioni codificanti interviene la selezione naturale per cui se sono uno svantaggio le mutazioni non si trasmettono. Questo non accade per le regioni non codificanti e quindi se osservo questa variabilità genetica posso osservare cosa accade a un individuo di una popolazione nel corso del tempo.

Così si può stimare quando due popolazioni si sono separate da una comune andando a contare le sostituzioni nuove che si sono formate nelle due nuove popolazioni rispetto a quella comune. Questo concetto è l’orologio molecolare che viene utilizzato per il DNA mitocondriale.

La regione HVR1 è 360 pb, quando si conta la lunghezza del DNA si fa l’ultima base meno la prima più una, perché sennò non se ne conta una, e questa regione si chiama così perché è molto variabile e ci siamo accorti che i mitocondri possono essere raggruppati in aplogruppi e aplotipi.

Aplo perché del DNA mitocondriale ce n’è solo una copia per cellula, non c’è l’omologo perché è ereditato solo dalla madre; gruppo perché ci siamo accorti studiando la variabilità umana che individui che condividono lo stesso luogo geografico condividono gruppi di sostituzioni nucleotidiche simili.

Il DNA mitocondriale è fatto da una regione codificante e una non codificante, le mutazioni avvengono in entrambe le regioni anche se di più nella non codificante. Quindi, a individui che vivono nella stessa località geografica, che appartengono alla stessa popolazione che scambia geni tra di sé, succede che, per l’effetto del caso, si afferma uno specifico pattern di mutazioni su quei mitocondri, perché al momento della prevalenza casuale di una linea mitocondriale quella si affermerà, poiché lo scambio genetico resta all’interno di quella popolazione.

Quindi la popolazione sarà caratterizzata da un determinato aplogruppo e ciascun individuo che appartiene alla popolazione può avere aplotipi differenti. Ci siamo anche accorti che la maggior parte delle mutazioni avvengono nella regione non codificante e un aplogruppo è caratterizzato da specifiche mutazioni per entrambe le regioni codificante e non codificante. Di questo ce ne siamo accorti andando a sequenziare i mitocondri.

Aplogruppi mitocondriali e popolazioni

Il primo che ha sequenziato DNA mitocondriale fu Antonio Torroni, che era negli Stati Uniti e si stava occupando della variabilità mitocondriale dei nativi americani, si accorse che le popolazioni nativo-americane potevano essere divise in quattro macro aplogruppi mitocondriali a cui furono assegnate le lettere A, B, C, D.

Questi studi servivano, e anche oggi, per ricostruire le storie evolutive delle popolazioni, migrazioni e per le identificazioni personali, rapporto madre figlio. Gli stessi aplogruppi erano presenti in popolazioni asiatiche, quindi si scoprì che furono loro ad aver attraversato lo stretto di Bering intorno a circa 20mila anni fa, a piedi durante una glaciazione per cui non c’era l’acqua ed erano potuti andare a piedi.

A questo punto si può capire anche quando due popolazioni si sono separate da una ancestrale, studiando il tasso di mutazione del DNA mitocondriale di popolazioni differenti. I mitocondri delle popolazioni africane hanno più variabilità perché, se la nostra specie si è originata in Africa, le popolazioni africane avranno avuto più tempo per accumulare mutazioni sui mitocondri e generare variabilità.

Circa 150.000 anni fa si hanno le prime presenze del genere Homo in Africa con aplogruppo L0, che subisce una prima espansione in Africa, generando l’aplogruppo L1. Contemporaneamente in Europa e nell’Asia occidentale ci sono i Neanderthal, nel centro asiatico ci sono i Denisoviani, nel Medio Oriente ci sono individui afferenti al genere Homo che ancora non siamo riusciti a identificare, mentre nel sud est asiatico i ricercatori fanno pensare che ci sia Homo erectus.

La seconda espansione, dai 60 mila a 80 mila anni fa, avviene sempre in Africa e si sviluppano altri aplotipi mitocondriali, sempre afferenti all’aplogruppo L, che sono L2 e L3.

Intorno ai 60 mila anni fa abbiamo l’ultima out of Africa, per cui gli individui vanno a popolare la penisola arabica e si sviluppano due nuovi aplogruppi mitocondriali che si chiamano M e N.

Intorno ai 40mila anni fa le popolazioni uscite dall’Africa colonizzano le regioni del sud Asia, andando a sviluppare aplogruppi M e N e i primi gruppi dell’Australia. Ai tempi in quella zona non c’era il mare ma dei lembi di terra, quindi erano riusciti ad arrivare in Australia a piedi.

Dagli aplogruppi M e N si sviluppano A, B, D, F nelle regioni centro asiatiche, mentre dagli aplogruppi del Medio Oriente si sviluppano JT, H, U, I e questo avviene intorno a 30mila anni fa, anche se sappiamo che ai tempi l’aplogruppo prevalente era U. In Australia si sviluppano aplogruppi M2, N2, P, Q.

Le popolazioni asiatiche iniziano a espandersi, quelle dei Balcani colonizzano l’Europa.

Intorno a 25mila anni fa gli individui asiatici riescono ad attraversare lo stretto di Bering e colonizzano l’America del nord con aplogruppi A, B, C, D, X, anche se l’aplogruppo X non si è poi molto sviluppato nel continente americano.

Queste immagini mostrano che intorno a 20mila anni fa c’è stato il periodo glaciale massimo e le popolazioni che erano migrate a nord sono dovute tornare indietro, per cui c’è stata una contrazione delle popolazioni, per cui ci sono state delle migrazioni dal nord verso il sud, in particolare è in questa occasione che le popolazioni si sono spinte in America del sud.

Finita la glaciazione c’è una nuova espansione verso nord e questo avviene intorno a 15mila anni fa e si sviluppano gli aplogruppi Y e Z, e JT in Europa.

Intorno ai 10mila anni fa c’è stato un ritorno in Africa e si vede la presenza di aplogruppi diversi da quelli iniziali.

In tempi più recenti sono avvenute le migrazioni nelle isole.

Questa è la situazione degli aplogruppi mitocondriali attuali.

Un po’ di storia

1984-85: uno dei primi studi fu fatto da Alan Wilson, negli Stati Uniti, che andò in un museo, prese dei campioni di ossa dal quagga, un antenato del cavallo e zebra, e volevano sapere se era più cavallo o zebra. Quindi si prendevano campioni di DNA e si