Evoluzione dei genomi animali

Evoluzione dei genomi animali

• Animali = gruppo di organismi eucarioti
• Genomi = dovremo capire da dove arrivano questi genomi, studio dei genomi che storicamente hanno preceduto i genomi animali

4 miliardi di anni fa è comparsa la vita.

3.5 miliardi di anni fa è comparso l’ultimo antenato comune (LUCA).

È avvenuta la separazione delle linee evolutive: batteri, archea, eucarioti.

Inizialmente la vita era in grande parte unicellulare.

1 miliardo di anni fa compare la pluricellularità, ma non si afferma automaticamente.

Fino a circa 500 milioni di anni fa, la vita è ancora dominata dagli organismi monocellulari.

Poi avviene l’esplosione del cambriano che coincide con la comparsa di organismi pluricellulari con un livello di phyla maggiore di quelli che sono presenti ora → probabilmente la biodiversità era maggiore di quella attuale.

Bias: ancora adesso, a livello genomico, è presente una maggiore diversità a livello procariotico (gli esseri pluricellulari sono caratterizzati da una maggiore facilità di osservazione).

• Evoluzione = non si va semplicemente dal più semplice al complesso

L’evoluzione non è un processo di miglioramento, la marcia del progresso è una visione errata.

Darwin e la selezione naturale

1859: Darwin pubblica “Sull’origine della specie”. Segna un cambiamento nella modalità di pensiero della biologia a livello storico.

L’idea cuore è perfettamente valida anche oltre 150 anni dopo, queste visioni non sono ancora state soppiantate.

Gli organismi viventi sono tutti diversi fra loro, vi è quindi variabilità all’interno di una specie.

La variabilità è ereditabile, passa alle generazioni future.

Non tutti gli organismi hanno risorse adeguate per potersi riprodurre → selezione naturale.

Esempio: insetti verdi e arancioni, uccello fa selezione naturale mangiando quelli verdi.

Non tutta l’evoluzione è spiegata dalla selezione naturale, ma è il principale motore (esistono eccezioni).

Darwin non aveva idea di come funzionasse l’eredità, fa ipotesi ma non conosce.

Le idee di come avviene l’eredità sono di Lamarck (Mendel è successivo), Darwin osserva e deduce.

Assistiamo a una seconda sintesi nel pensiero evolutivo che parte da Mendel (fine ‘800).

Dalla fine dell’800 ai primi decenni del ‘900 si assiste a un’eclissi del Darwinismo in concomitanza delle scoperte della nascente genetica sembrano confutare le idee di Darwin.

Dal 1920 inizia una nuova fase → sintesi moderna o neo-Darwinismo.

Porta la genetica all’interno del pensiero di Darwin, soprattutto per quanto riguarda la genetica di popolazione.

Gli studiosi principali sono suddivisi in due ondate:

1. Matematica biologica → modellisti, costruzione di un formalismo, bisogna rendere le idee quantitative
2. Cuore della nuova sintesi → genetisti Dobzhansky (“in biologia niente ha senso se non in luce dell’evoluzione”), Mayr (biogeografo), Gaylord Simpson (paleontologo), Stebbins (botanico)

Julian Huxley: Evoluzione - La moderna sintesi (1942), unisce matematica e biologia alla luce della genetica.

• Concetto di speciazione
• Concetto di popolazione: il cuore del processo evolutivo viene messo nella popolazione, è importante quello che succede all’interno della popolazione, non a livello del singolo individuo

Alcuni aspetti non vengono più mantenuti nella visione odierna: isolamento dei genomi, …

Ci si immagina che le differenze fenotipiche siano uno specchio delle differenze genotipiche, ma non è vero.

I genomi scimpanzè/essere umano sono identici al 98.7%.

Il genoma cambia tra gli organismi non tanto nelle loro sequenze, ma per come lavora → piano regolativo giustifica le variazioni (non era stato previsto dalla nuova sintesi, pensava alle differenze quantitative).

Visione odierna

Grosso dibattito: secondo alcuni, ci troviamo di fronte a una terza ondata di sintesi.

Pigliucci, genetista agrario e filosofo della scienza, insieme a Muller (raggiungono lo stesso pensiero in maniera indipendente) riuniscono un team di persone → Evolution: the extended synthesis.

Sintesi integrata: ci sono cose che secondo alcuni erano perfettamente previste dalla sintesi moderna (es: evo-devo), ma bisogna capire se queste cose hanno una portata che consente un’evoluzione teorica.

Alcuni di questi concetti non erano stati previsti, ma portano effettivamente un qualcosa di nuovo.

Cos’è un genoma?

Definizione operativa, termine introdotto nel 1920 da Winkler.

Fonda i termini gene e cromosoma.

“Io propongo il termine genoma per il set cromosomico aploide che con il citoplasma specifica il materiale fondante di una specie”.

Erano già stati visti i cromosomi di Drosophila, erano già stati fatti gli studi di Morgan.

• GOLD: Genome OnLine Database

Cataloga i progetti genomici.

• 2003 → pubblicazione del genoma umano, da qui è iniziato lo studio di altri genomi
• 2006 → 2208 progetti in corso (la metà sono genomi batterici, solo 460 completati), la genomica è ancora ai primordi (prima venivano studiati solo i geni)
• 2020 → 337.778 progetti genomici in corso

163.000 sono genomi batterici: semplici, costo e tempo ridotto, rappresentano la maggior parte della variabilità dei genomi.

63.000 progetti genomici di eucarioti (circa 1.8 milioni di specie).

Numerosissimi studi di metagenomica (100.000).

Intorno al 2010 c’è stato un punto di flesso nella curva del numero dei progetti → coincide con avvento dell’NGS (seconda generazione).

Prima si utilizzava solo il metodo Sanger.

Mondo HTS → high throughput sequencing, sequenziamento ad alta processività (non sono dei metodi, serve una specifica tecnologia).

Sono stati sequenziati 117 genomi di mammiferi.

Ci sono voluti 11 anni per sequenziare il genoma umano → il progetto nasce nel 1990, il genoma è stato sequenziato interamente nel 2001.

Perché sequenziare un genoma?

Per cercare qualcosa, ma è quasi come cercare un ago in un pagliaio.

Vengono prodotte una serie di informazioni apparentemente caotiche e il data analysis deve cercare di ricostruire la rete gerarchica (le singole entità interagiscono tra loro, non in maniera causale).

I genomi non lavorano quantitativamente.

“Discendenza con modificazioni” è più corretta rispetto a dire “evoluzione”.

Siamo stati abituati dalla visione neo-darwinista a immaginare il genoma come un manuale di istruzioni, ma è meglio vederlo come un libro di ricette: ha le istruzioni, ma come una ricetta e non come un manuale.

Non è sempre uguale, c’è variabilità → interazione con l’ambiente, il genoma stesso lavora a un livello che non è prettamente informativo stretto.

Paper del 1986 di Dulbecco: si potrebbe utilizzare il sequenziamento del genoma umano per risolvere il problema del cancro.

Se i genomi fossero un libretto delle istruzioni, l’aspettativa di Dulbecco sarebbe stata soddisfatta.

Il genoma è sì un libro di istruzioni, ma più simile a un libro delle ricette → partendo dalle stesse istruzioni, non necessariamente il risultato è lo stesso.

Ci aspettavamo che la grande variabilità degli organismi fosse rispecchiata a livello genomico, ma non è così.

Es: C. elegans è un nematode di 1000 cellule, ha il genoma simile al nostro per il 30%.

Articolo: A field guide to genomic research

Cos’è il mondo della genomica e cosa non dovrebbe essere.

Caricatura delle figure che si sono avvicinate alla genomica:

• Approccio dell’agricoltore

Coltivazione e raccolta di un grande numero di dati, poi si vedrà come utilizzarli.

Vengono fatti gli esperimenti, ma i risultati che venivano ottenuti guidavano gli esperimenti successivi, accumulo continuo di dati, poi si vedrà quali informazioni tirare fuori.

Con la genomica non si può fare in quanto non si ha un lento accumulo dei dati, si ha la sequenza o non la si ha.

• Approccio del minatore

Iperspecializzato, si continua a scavare in quel punto e poi si vede cosa succede.

I genomi erano troppo complessi da studiare: venivano studiati solo alcuni geni, continua ora un approccio di questo tipo per lo studio di una singola porzione del genoma.

• Approccio del cowboy

“Publish or perish”, i ricercatori sono spinti a pubblicare tanto, non sempre i dati pubblicati sono di un altissimo valore.

Anche se non si ha capito molto dei dati, si cerca di tirare fuori qualche informazione.

È importante la ri-analisi dei dati pubblicati.

• Approccio dell’eremita

Non funziona nella scienza, è fallimentare nella genetica e nella genomica in quanto sono campi dove è fondamentale condividere.

• Approccio dello schiavista e dello schiavo

Si vede un lavoro e lo si vuole replicare.

• Approccio del carceriere

Non si condividono i dati con nessuno.

Conclusione dell’articolo: molti approcci mancano di comprensione o di un training non adeguato, alcuni mancano della comprensione di standard, di come lavora il mondo in questo campo (approcci che si isolano).

L’approccio nei confronti della genomica richiede un team che ha competenze diverse in campi diversi (divisione dei compiti tra il mondo in silico e il mondo del laboratorio), coeso e con un vasto spettro di capacità che lavorano su un piano di battaglia ben definito e precisato.

Il lavoro deve essere ben pianificato: quali sono i problemi, le eventuali selezioni, …

Storia del sequenziamento dei genomi

• Sanger

Nel 1977 è la prima persona che completa un intero genoma: un virus, batteriofago, è stata la prima entità sequenziata (5368 pb).

È stato sequenziato mediante una tecnica “plus and minus” che verrà ripresa poi da Craig Venter e chiamata “shotgun sequencing”.

Viene preso il genoma e frammentato in pezzetti più piccoli, vengono inclusi in vettori plasmidici formando una library.

Vengono poi utilizzati per trasformare dei batteri che amplificano la sequenza, formando colonie che contengono copie dello stesso frammento.

Questi frammenti vengono poi sequenziati e messi uno vicino all’altro ricostruendo il genoma.

Ci saranno dei punti non coperti che vengono chiusi con un approccio primer walking → partendo da un punto noto si disegnano dei primer e si leggono pezzettini sempre più avanti.

È un approccio molto lento.

• 1983: pubblicato il genoma di altro batteriofago (quasi 50.000 pb)

Questo metodo va bene per leggere genomi piccoli, ma non per i genomi più grandi.

• 1985: il gruppo di Craig Venter porta a compimento il sequenziamento del primo genoma di un organismo vivente (batterio Haemophilus influenzae), quasi 2 milioni di paia di basi

Utilizzato un approccio whole genome random sequencing: approccio di Sanger portato su un genoma di dimensioni maggiori.

• 1996: il gruppo di Venter sequenzia un archeobatterio (Methanococcus jannaschii)

Pubblicato il primo genoma di un eucariote (Saccharomyces cerevisiae), 12 milioni di basi + mitocondrio.

• 1997: sequenziamento di E. coli (ceppo K-12 genome reference)

Genome reference → si basa sui genomi diploidi, non aploidi; il genoma di riferimento mondiale per l’uomo è quello di Venter (HU ref).

L’atto della lettura del genoma non si riesce a fare a livelli quantitativi elevati in tutti i laboratori.

Nascono punti di riferimento per il sequenziamento come il TIGR center o il Sanger Institute.

Consorzi lavorano, il sequenziamento avviene in questi due posti.

Il progetto genoma umano nasce nel 1990.

Nel ‘97 viene pubblicato (a nome del consorzio) il primo grande genoma → C. elegans, 97 10 paia di basi, primo eucariote pluricellulare 6.

Orizzonte per il sequenziamento del genoma umano: 2005 (15 anni).

Nel 1997 lo human genome project ha sequenziato solo il 3%.

In questo momento, Craig Venter vuole sequenziare il genoma umano al posto dello Human Genome Project utilizzando una company privata.

Al TIGR center si associano i produttori dei sequenziatori.

Sequenziamento di Drosophila da parte di ricercatori che lavorano al TIGR (sequenziate 180 milioni di pb in 4 mesi).

Inizia la grande corsa per il genoma umano.

Venter brevetta i geni che sequenzia (giudicato poi come non possibile).

Il consorzio lavorava con un approccio primer walking, troppo lento e per questo non avrebbe completato il genoma umano entro il 2005.

Il 12 febbraio 2001 avviene il rilascio dei due genomi umani (Venter su Science, HGC su Nature), scelto il 12 febbraio in quanto giorno della nascita di Darwin.

Questi lavori sono stati resi disponibili per tutti non a pagamento.

Metagenomica

Termine che arriva dal passato, da un lavoro di Goodman del 1998.

Studia il suolo, dice che l’avvenuto delle nuove tecniche ha portato delle innovazioni nella biologia molecolare e nella genomica → grande disponibilità per analisi funzionale dei genomi collettivi della microflora del suolo: chiamati metagenoma del suolo.

Insieme collettivo di tutti i genomi degli organismi che occupano una certa matrice.

Esiste un metagenoma di qualsiasi matrice: acqua, cibo, intestino, bocca, …

Non si riferisce solo ai microrganismi.

Viene presa la matrice e si trova un modo per tenere solo gli organismi viventi → estrazione del DNA, ottenimento di tante sequenze.

Non viene fatta una selezione, vengono tenuti tutti gli organismi → la maggioranza sono unicellulari, sono più semplici da vedere (le banche dati hanno il 70% di sequenze batteriche).

Vengono ottenuti dei frammenti che vengono comparati con le banche dati dove ci sono soprattutto sequenze di microrganismi, si riesce a caratterizzare meglio il metagenoma nella sua componente batterica.

Formalmente comprende tutti gli organismi viventi.

Problema dell’analisi metagenomica: c’è sempre una quota non conosciuta, sequenze diverse dalle altre ma sconosciute possibile applicare delle analisi filogenetiche.

Dopo aver finito il sequenziamento del genoma umano, agli inizi degli anni 2000 Venter fece delle spedizioni con una nave (Sorcerer II) facendo il giro del mondo → ogni tot miglia, presa acqua e fatto sequenziamento (mediante Sanger).

Permette studio dell’unknown → possibile quarto dominio della vita, trovare nuove cose che prima non si conoscevano, ricerca di nuove funzioni.

La maggior parte delle sequenze identificate erano batteriche (su quasi 8 milioni di sequenze di DNA lette).

Oggi la metagenomica è una branca vera e propria (100.000 progetti in attivo).

Venter ha sfruttato la metagenomica: fonda la Synthetic Genomics.

Prendiamo un organismo batterico che possiamo modificare (Mycoplasma genitalium: più piccolo batterio noto in grado di fare vita sufficientemente indipendente) e si crea un nuovo ceppo → Mycoplasma laboratorium (genere: Synthia, ossia sintetico).

Osservando con la metagenomica sono state scoperte diverse funzioni, inserite in Synthia.

Creazione di microrganismi che possano fare determinate cose utili.

La vita e i primi genomi

La Terra ha una caratteristica particolare: è un pianeta con una vastissima zona di acqua salata ed è caratterizzata dalla presenza di forme di vita.

La vita è un dato di fatto per il biologo (un organismo vivente genera un altro organismo vivente), ma sul pianeta Terra non è sempre stata presente.

La risposta alla domanda “Qual è l’origine della vita?” è un problema scientifico e filosofico.

Le stromatoliti di Shark Bay (Australia) erano considerate come le prove più antiche della presenza della vita sulla Terra → risalgono a circa 3.5 miliardi di anni fa.

Sono rocce che derivano da un’attività biologica, sono formate da vari strati che evidenziano vari fossili batterici.

Recentemente, sono state trovate altre rocce in Groenlandia con caratteristiche simili che risalgono a 3.7 miliardi di anni fa.

Si ha la certezza che almeno 3.7 miliardi di anni fa sul pianeta Terra erano presenti degli organismi viventi simili a batteri.

La loro diffusione era presumibilmente ubiquitaria, in quanto Australia e Groenlandia non erano territori vicini neanche allora.

Le stromatoliti rappresentano una vita già abbastanza complessa che è apparsa prima di 3.7 miliardi di anni fa.

La Terra ha 4.54 miliardi di anni.

È noto che nei primi 500 milioni di anni fosse un luogo inospitale: per la maggior parte era formata da magma infuocato e andava incontro a grandi stravolgimenti catastrofici (ad esempio: un grande asteroide ha colpito tangenzialmente la Terra e ha staccato porzioni che poi si sono compattate per formare la luna).

In Groenlandia, in alcune rocce sono di 3.85 miliardi di anni sono stati trovati dei residui di cherogeno → molecola che si può formare solo a partire da organismi viventi.

Ipotesi: i generatori di cherogeno potrebbero essere degli organismi che risalgono a 3.77 – 4.28 miliardi di anni fa, solo 200 milioni dopo la generazione della Terra → in alcune porzioni era già presente l’acqua, potenzialmente poteva quindi esserci la vita.

Cos’è la vita?

Il DNA è vivo? Definire se il DNA è vivo non è così banale.

Le sonde spaziali campionano e cercano anche la presenza di DNA.

Non conoscendo le possibili altre forme di vita, per ricercarle ci si deve basare su delle approssimazioni → acqua, DNA.

Da C.P. McKay “What is life and How do we search for it in other worlds?”.

La più semplice, ma non l’unica, prova della vita è trovare qualcosa che sia vivo.

Esistono solo due proprietà che consentono di determinare se un oggetto è vivo o meno: metabolismo e movimento.

Ma sia il metabolismo (fuoco), che il movimento (vento) avvengono in natura in assenza di biologia.

Tempio di Piceras

Deriva da un lavoro (2002) che è un caposaldo dei lavori sull’origine della vita.

Le colonne del tempio rappresentano le caratteristiche fondamentali che permettono di definire che cos’è effettivamente vivo.

• Programma

Con il termine “programma” si intende qualcosa che può essere tramandato di generazione in generazione, che persiste quindiatt