Antropologia Molecolare- il DNA

I DNA

L

Sia il DNA che l’RNA sono grandi macromolecole (polimeri) composte da unità

costitutive più piccole. Caratteristiche fondamentali sono:

L’unità strutturale ripetitiva degli acidi nucleici sono i nucleotidi che sono

 legati tra loro a formare un filamento di DNA (o RNA) la cui sequenza lineare è

detta “struttura primaria del DNA”. Due filamenti di DNA sono legati tra loro a

formare una doppia elica (struttura secondaria regolare ripetitiva). I vari ordini

di ripiegamento delle strutture secondarie formano una struttura

tridimensionale che prende il nome di “struttura terziaria”. All’interno delle

cellule viventi il DNA è associato a un’ampia varietà di proteine che

influenzano la sua struttura terziaria finale;

Un nucleotide è composto da: un gruppo fosfato legato al carbonio 5 dello

 zucchero, uno zucchero pentoso (ribosio nel caso dell’RNA e desossiribosio

nel caso del DNA) e una base azotata. Le cinque basi azotate sono distinte in

purine e pirimidine. Le basi puriniche presentano una struttura a doppio

anello (biciclica) e sono l’adenina A e la guanina G. le basi pirimidiniche

presentano una struttura a singolo anello (monociclica) e sono la citosina C, la

timina T e l’uracile U (che nell’RNA sostituisce la timina). Le basi sono legate

al Carbonio 1 dello zucchero da un legame covalente e la loro combinazione

costituisce il “nucleoside”;

La molecola di DNA è composta da due catene polinucleotidiche avvolte l’una

 intorno all’altra a formare una doppia elica destrorsa (in senso orario). Le due

catene sono antiparallele, cioè, hanno polarità opposta. Un filamento è

orientato in direzione 5’-3’ e l’altro in direzione 3’-5’. Lo scheletro, costituito

da zucchero e gruppo fosfato, è rivolto all’esterno della struttura mentre le

basi azotate sono rivolte all’interno e sono disposte perpendicolarmente

all’asse principale della doppia elica. Le basi dei filamenti opposti sono unite

da deboli legami idrogeno e sono appaiate in modo tale da non creare

distorsioni nella struttura della molecola. A una purina corrisponde sempre

una pirimidina e gli unici appaiamenti possibili sono A-T (o A-U nel caso

dell’RNA) e C-G. la forma più comune assunta dalla doppia elica, in condizioni

fisiologiche, è detta “forma B”;

Alcune sequenze sono presenti solo una volta all’interno del genoma mentre

 altre sequenze si ripetono. Si identificano tre categorie di sequenze: sequenze

uniche (presenti da una a poche copie per genoma), DNA moderatamente

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ripetuto (da poche a 10 copie), DNA altamente ripetuto ( da 10 a 10 copie).

I genomi eucarioti sono costituiti da DNA sia a sequenze uniche sia a

sequenze ripetute per un totale di 6 miliardi di paia di basi per cellula. Le

sequenze uniche rappresentano circa il 65% del genoma e costituiscono la

parte codificante del DNA, ovvero, la parte in cui sono riportate informazioni

per la sintesi degli aminoacidi e per specifiche molecole di RNA. Il gene è una

specifica regione del DNA che contiene questo tipo di informazioni. Un gene

strutturale tipo che codifica per un polipeptide consiste di una parte trascritta

e una parte non trascritta definita come “regioni fiancheggianti alle estremità

5’ e 3’”. Il DNA codificante è sottoposto a fenomeni selettivi. Il DNA non

codificante è invece costituito da sequenze ripetute di due tipi: sequenze

distribuite a intervalli regolare (ripetizioni intersperse) e sequenze

raggruppate insieme (regioni in tandem);

Il processo mediante il quale si producono nuove combinazioni di caratteri

 rispetto a quelli parentali è detto “ricombinazione genica”. I cromosomi

autosomici omologhi sono sottoposti, durante la meiosi, a ricombinazione

genica e si mescolano a ogni generazione in modo tale che l’informazione

genica del nuovo individuo sia formata per metà da quella materna e per

l’altra metà da quella paterna. Il cromosoma Y e il DNA mitocondriale

(mtDNA) passano invece di generazione in generazione senza subire

cambiamenti, escluse le mutazioni. Per questo motivo sono considerati dei

marcatori lineari e costituiscono un valido strumento per lo studio della

evoluzione umana, per la ricostruzione della storia demografica, dei flussi

migratori e del mescolamento delle popolazioni e per la ricostruzione di

relazioni di parentela.

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IL GENOMA MITOCONDRIALE

Il mitocondrio è un organulo contenuto nella cellula e presenta al suo interno

delle creste mitocondriali sulle quali viene sviluppata la catena respiratoria della

cellula. La teoria più accreditata sulla sua origine è la teoria endosimbiontica

secondo la quale i mitocondri si sarebbero originati da procarioti liberi che

sarebbero stati assorbiti da cellule eucariote primitive, instaurando della relazioni

di mutuo beneficio. L’esistenza di un DNA mitocondriale separato dal DNA

nucleare suggerisce infatti che fino a un certo periodo i mitocondri fossero entità

separate dalle cellule ospiti.

La maggior parte del genoma umano si trova nel nucleo di ciascuna cellula

eucariotica organizzato sottoforma di cromosomi, mentre lo 0.25% circa si trova

nei mitocondri. Il DNA mitocondriale umano è una molecola circolare a doppio

filamento, non associato a istoni o proteine simili e privo di sequenze ripetute. I

filamenti sono chiamati “filamento H” (H= heavy poiché contiene in gran parte le

purine che hanno un peso molecolare maggiore delle pirimidine) e “filamento L”

(L= light poiché a maggioranza pirimidinica) Inoltre, è presente nei mitocondri in

numero variabile di copie. Anche il numero di mitocondri varia da cellula a

cellula. La grande quantità di molecole di mtDNA disponibili lo rendono un

migliore strumento di indagine rispetto al DNA nucleare in quei campioni in cui il

DNA può essere danneggiato per le condizioni di conservazione.

Il DNA mitocondriale è lungo circa 16569 bp ed è caratterizzato dalla presenza di

regioni codificanti (contiene 37 geni che sono legati alla trascrizione di enzimi e

proteine che prendono parte alla catena respiratoria) e di una regione non

codificante detta D-loop. È in questa regione che si osserva una maggiore

variabilità fra gli individui, data dal fatto che questa regione non codifica. La D-

loop, lunga circa 1122 bp contiene l’origine di replicazione per il filamento H.

questa regione è suddivisa in regioni ipervariabili I, II e III (HVR-I, HVR-II, HVR-III).

La regione ipervariabile I, che si estende dalla posizione 16024 alla posizione

16365, lunga 360 bp, per via del caratteristico grado di omologia con gli altri

mammiferi, risulta essere il segmento più informativo per confronti tra

popolazioni che si sono separate in tempi evolutivamente recenti ed è inoltre

usato come marcatore dell’individuo dato l’alto numero di siti polimorfici ( le

regioni codificanti del mtDNA possono essere invece usate come marcatori della

specie).

Il genoma mitocondriale dei mammiferi ha una trasmissione ereditaria

strettamente materna (DNA aploide). Ciò consente:

Una più semplice costruzione di alberi filogenetici rispetto a quella effettuata

 sulla base dello studio del DNA nucleare poiché non vi è ricombinazione

genica;

Di formulare la teoria dell’esistenza di un antenato comune. La linea di

 discendenza mitocondriale è dovuta a un antenato comune collocato alla

radice dell’albero filogenetico che ha trasmesso il suo DNA inalterato se non

per mutazioni casuali. È stato dimostrato che tutti i tipi di mtDNA presenti

attualmente sono derivati da un’unica antenata in comunque vissuta in Africa

circa 200000 anni fa (teoria dell’Eva africana) il che implica che tutti i tipi di

mtDNA delle sue contemporanee si siano estinti nel corso del tempo per

fenomeni casuali.

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La natura circolare del DNA mitocondriale lo rende meno suscettibile all’attacco

di enzimi che degradano le molecole di DNA. Nel mtDNA, però, esistono meno

meccanismi di riparazione rispetto a quelli presenti nel DNA nucleare e ciò

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comporta un tasso di mutazione più alto (4.7 * 10 sostituzioni per sito per

anno). Il numero di differenze genetiche di mtDNA che separa due popolazioni è

direttamente proporzionale al tempo a partire dal quale esse hanno condiviso lo

stesso antenato comune; quanto più a lungo sono state separate, tanto

maggiore sarà l’accumulo di mutazioni, definito “tasso di evoluzione”. I

mitocondri aventi il maggiore numero di sostituzioni nucleotidiche sono stati

ritrovati studiando il mtDNA di individui africani antichi.

Gli aplogruppi mitocondriali

Con l termine “aplotipo” si definisce la combinazione di varianti alleliche lungo il

cromosoma o segmento cromosomico contenete loci strettamente associati tra

loro. Gli alleli della regione mitocondriale, non ricombinandosi sono sempre

associati a formare aplotipi. Aplotipi differenti sono generati da un aplotipo

ancestrale per effetto della mutazione dei singoli loci. Il concetto di “aplogruppo”

rappresenta un insieme di aplotipi accumunati da un set di siti polimorfici

portanti lo stesso allele ed ereditati dal loro comune progenitore. Una

popolazione viene descritta sulla base delle sostituzioni nucleotidiche che si

ritrovano principalmente sull’HVR-I (o anche sulle altre regioni ipervariabili se

disponibili) e nella parte codificante del mitocondrio. In quest’ultima parte le

sostituzioni possono essere di due tipi:

Sinonime: se si sostituisce una base non cambia la proteina che viene

 sintetizzata (maggiormente frequenti);

Non sinonime: a causa della sostituzione cambia la proteina che viene

 codificata.

DNA

IL ANTICO

Con il termine “DNA antico” (o aDNA) si indica qualsiasi traccia di DNA

proveniente da un organismo morto o da parte di esso o anche DNA estratto da

campioni biologici non recenti, il materiale genetico può essere estratto da una

grandissima varietà di materiali biologici, diversi per età, origine e stato di

conservazione (ossa, resti mummificati animali o vegetali, preparati istologici,

manufatti, coproliti). Il DNA antico ottenuto da reperti scheletrici antichi deriva i

massima parte dal tessuto osseo maturo, gli osteociti che, dopo la morte

dell’individuo, vanno incontro a degradazione autolitica. La maggio parte dei

campioni da cui viene estratto il DNA sono reperti antichi. Tra questi quelli

“migliori” sono:

Osso compatto: soprattutto se prelevato da ossa lunghe. È meglio rispetto

 all’osso spugnoso perché più facilmente