Genetica molecolare

MARCATORI MOLECOLARI

Nello studio della variabilità antropologica sono importantissimi i marcatori molecolari in

quanto permettono di identificare i vari polimorfismi nella sequenza nucleotidica, mutazioni di

regioni di DNA omologhe in individui diversi appartenenti alla stessa specie o a specie

diverse.

Le porzioni del genoma dove si possono mettere in evidenza queste differenze di basi

azotate singole, si chiamano POLIMORFISMI.

Esistono diversi tipi di polimorfismi, anche se quello più noto e più diffuso nel genoma è lo

SNP (polimorfismo di singolo nucleotide).

In tal caso la differenza tra due individui differenti della medesima sequenza genomica

concerne soltanto una base azotata del singolo nucleotide; affinché una variazione nella

sequenza genomica sia considerata come SNP, deve essere presente in almeno 1% della

popolazione (frequenza minima di occorrenza prima di poter valutare la modifica come una

nuova variante).

Le varianti risultanti vengono definite alleli.

Essendo quelli più frequenti sono i marcatori molecolari più utilizzati, soprattutto perché sono

distribuiti in modo anche abbastanza omogeneo: sia all’interno di regioni codificanti che

regolatorie, così come in regioni non codificanti. Mentre gli SNP nelle regioni non codificanti

possono essere solo indice mutazionale in S.S., le mutazioni SNP nelle regioni codificanti

possono andare a generare delle modifiche a livello fenotipico, e quindi dare voce a quelle

che sono le varianti alleliche (se si trovano in una posizione importante per la codifica della

proteina ecc…).

Costituiscono circa il 90% di tutti i polimorfismi presenti nel genoma umano e hanno una

frequenza di 1/700bp = circa 4-5 milioni di SNPs in ogni genoma umano.

Il processo che è alla base di queste varianti - polimorfismi è la mutazione genomica in

termini sequenziali, quindi non c'entrano nulla riassortimento e arrangiamento genetico. Il

meccanismo di base è la mutazione spontanea del DNA che normalmente avviene (ciò che

varia nel nucleotide è la base azotata). Essendo 4 le basi azotate, per ogni posizione è

possibile (o almeno ci si aspetterebbe) che si vadano a trovare in natura 4 varianti differenti:

in realtà è stato verificato che ci sono delle variazioni più frequenti di altre ovvero la maggior

parte degli SNP è di-allelica (mentre si potrebbe avere la possibilità di origine di 4 alleli

differenti tra di loro) e la maggior parte delle varianti si origina con un processo di transizione

(cambiamento della base azotata appartenente alla medesima classe quindi da purina a

purina o da pirimidina a pirimidina, per tratti strutturali e dimensionali più vicini).

Nonostate siano tanti importanti non sono l’unico marcatore molecolare utilizzato negli studi

genomici, infatti in passato venivano utilizzati anche i Microsatelliti (piccole ripetizioni di 3-4

nucleotidi in tandem fino a centinaia di coppie di basi). La differenza non è data dalla

variazione di una base azotata, ma è data dal n° di volte in cui una determinata corta

sequenza si ripete all’interno della porzione microsatellitare.

La ripetizione più o meno accentuata va ad influenzare la lunghezza del microsatellite stesso

e quindi degli alleli nel quale si trova.

Mentre le porzioni occupate dagli SNP sono abbondanti, quelle occupate dalle mutazioni

microsatellitari sono minori e occupano soprattutto le porzioni genomiche non codificanti:

sono molto meno impattanti sulle traduzioni proteomiche.

Mentre nel caso di uno SNP gli alleli massimi che si possono generare per una mutazione

sono 4, le varianti alleliche risultanti da delle mutazioni microsatellitari sono molto più

numerose; per tale motivo questi marcatori sono molto utili (essendo altamente variabili) per

l’identificazione personale essendo in grado di mettere in evidenza i profili genetici di ogni

individuo delineando anche da dove derivino. Bastano pochi loci in studio per riuscire a

definire il 99.9% di porzioni genomiche tipiche di un singolo individuo: importanti per la

genetica forense.

Le variazioni sopra nominate si originano per mutagenesi che interessa la linea delle cellule

germinali, in quanto quella che interessa la linea somatica non viene trasmessa alle

generazioni successive, rimanendo confinata nell'individuo in cui avviene.

Le cellule germinali sono strutturate, così come i nostri organi riproduttivi, per proteggere gli

elementi dai fattori mutageni esterni (agenti chimici o radiazioni) che potrebbero generare

delle mutazioni (vd. le gonadi).

Ciò che avviene all’interno delle cellule germinali è comunque l’insieme di tutti quei fattori di

mutazione endogena: errori durante la replicazione e/o errori determinati dai radicali liberi

derivati dai processi metabolici.

Durante la replicazione del DNA, l’enzima della DNA polimerasi ha un tasso di mutazione

estremamente basso durante l’attività di proofreading, ma non assente. Si stima un tasso di

60 - 80 mutazioni per ogni individuo nel processo di formazione di nuove generazioni

cellulari.

POOL GENETICO

Insieme dell'informazione genetica posseduta dagli individui riproduttivi della popolazione.

Nel corso delle generazioni, sul pool genetico di una popolazione possono andare ad agire

delle forze evolutive che determinano il destino delle varianti che si sono originati a livello

genetico:

- Selezione naturale (riduzione della variabilità)

Mutazioni casuali possono migliorare la capacità di sopravvivenza e di riproduzione degli

individui in un determinato ambiente:

● aumento della fitness individuale

L’allele vantaggioso rimarrà nel pool genetico della popolazione e verrà ereditato

preferenzialmente nelle successive generazioni diventando più frequente o, in alcuni casi,

fissandosi.

● l’insieme delle fitness individuali determina la sopravvivenza della popolazione

nell’ambiente

● La selezione naturale è alla base dei fenomeni di adattamento evidenziabili

nelle diverse popolazioni umane (adattamenti all’ambiente, adattamenti

culturali)

● La selezione è anche responsabile della rapida eliminazione o del mantenimento a

basse frequenze degli alleli deleteri svantaggiosi

Diversi tipi di selezione naturale: variano in base a quanto deleteria sia la mutazione che si è

verificata, a quanto sia svantaggiosa ecc.

- Flusso genico (interbreeding); (aumento della variabilità)

Introduzione di nuovi alleli nel pool genetico per effetto di eventi di mescolamento

(admixture) di popolazioni, che possono avvenire a seguito di migrazioni di popolazioni in

aree precedentemente occupate da altri gruppi. Se vengono a cadere le barriere riproduttive

tra diverse popolazioni, come ad esempio a seguito di migrazioni, i pool genetici si

mescolano.

● Le generazioni successive presentano frequenze alleliche “intermedie”

rispetto a quelle delle popolazioni originarie prima del mescolamento

● La variazione delle frequenze alleliche dipende dall’entità del flusso genico

(episodico o ricorrente, tasso di migrazione, dimensioni delle popolazioni

coinvolte)

Durante la transizione Neolitica, nota per gli studi a livello archeologico, i gruppi umani prima

caratterizzati principalmente da caccia e raccolta come metodi di sussistenza, iniziano a

comparire le pratiche dell’agricoltura e dell’allevamento. Queste variazioni interessano

inizialmente solo il medio - oriente per poi spostarsi in tutta Europa: andando a studiare

geneticamente i resti umani degli individui dei vari siti di Paleolitico e Neolitico è stato notato

che la diffusione di queste pratiche è stata mediata da un movimento migratorio che

dall’Anatolia (attuale turchia) fino alle varie regioni dell’Europa con conseguente

mescolamento di pool genici.

- Deriva genetica (diminuzione della variabilità)

Componente evolutiva dovuta a fattori casuali. Determina variazioni casuali nella frequenza

degli alleli nel corso del tempo per effetto del caso senza una direzione preferenziale. La

frequenza di un allele “neutrale” può quindi aumentare o diminuire in una popolazione per

effetti casuali arrivando a scomparire o a fissarsi.

La “velocità” con cui agisce la deriva genetica dipende dalle dimensioni della popolazione.

Se la dimensione della popolazione è piccola, nel passaggio di generazione il

campionamento dei gameti può far differire significativamente la proporzione degli alleli da

quella del pool genetico della popolazione originaria.

● Le generazioni successive possono acquisire frequenze alleliche anche molto

diverse dalla popolazione iniziale (contrazione della dimensione della

popolazione, effetto “fondatore”) se vengono mantenute barriere riproduttive

● Le popolazioni piccole derivano più velocemente

Sono degli alleli che non hanno nessun effetto a livello dunque della fitness di una

popolazione, e le sue variazioni - fissazioni - scomparse derivano solo ed unicamente dalla

dimensione della popolazione. Se la popolazione è piccola la deriva genetica avviene molto

più velocemente in quanto essendo un effetto casuale, in tempi molto rapidi, può andare a

generare differenze di frequenze alleliche ingenti/estreme.

Gli effetti della deriva genetica hanno più impatto nei gruppi piccoli.

Fenomeni su cui agisce particolarmente la deriva genetica sono “L’effetto a collo di bottiglia”

dove la popolazione si riduce (fasi finali paleolitico superiore dove sapiens in Europa si è

trovato a fronteggiare l’ultima glaciazione che ha comportato l’isolamento di piccole

sub-popolazioni di cacciatori e raccoglitori con conseguenti diminuzioni della variabilità

genetica all’interno delle stesse) e “l’effetto fondatore” per il quale da una popolazione

grande e caratterizzata da n° varianti alleliche, solo un piccolo gruppo (con solo alcune delle

varianti della popolazione iniziale) si distanzia e va ad occupare un’area geografica diversa

interrompendo il flusso genico. Esempio di questi sono state le colonizzazioni di Homo

sapiens delle varie località differenti del mondo.

Tante informazioni che abbiamo oggi ci derivano dagli studi e sulla ricostruzione del genoma

umano. Altri studi hanno avuto origine proprio dalla disponibilità della sequenza del genoma

umano, quindi conseguenti ai primi studi verificatesi nel primo 2000.

Tutti gli studi sulle mutazioni e non solo, sono poi stati pubblicati in un articolo scientifico

importante, datato 2015, ove vengono elencate e descritte le variazioni genetiche dell’uomo

che si sono verificate fino ad ora. Questo ha permesso, per la 1° volta, di valutare su TUTTO

il genoma, quali sono le diverse caratteristiche numeriche di differenze genetiche tra le varie

po