Appunti di Antropologia

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ANTROPOLOGIA – BMA

6 CFU

Prof. David Caramelli

a.a. 2020/2021

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Modalità d’esame

Il prof assegna un articolo scientifico da studiare ed esporre + 2 domande relative al programma del corso.

Lezione #1 e #2

o INTRODUZIONE

L’antropologia è una scienza che affronta lo studio dell’uomo nella sua qualità di specie zoologica. Ovvero,

l’antropologia studia la storia naturale dell’uomo. Questa scienza si occupa quindi di studiare le tappe che

riguardano l’evoluzione umana, le basi genetiche dell’evoluzione, gli aspetti molecolari per lo studio dei

processi evolutivi, i marcatori genetici, e si occupa anche dell’azione dell’ambiente sull’evoluzione delle

specie. Questa scienza si occupa anche della paleogenomica, ovvero di come si analizza il DNA umano che

viene recuperato da individui vissuti nel passato, attraverso una serie di tecnologie innovative.

L’antropologia quindi affronta lo studio della storia naturale dell’uomo, attraverso lo studio delle molecole,

in particolar modo la molecola del DNA. Questo corso sarà pertanto un corso che cercherà di mettere in

evidenza come si studia la storia naturale dell’uomo attraverso lo studio di particolari marcatori del DNA,

ovvero di particolari zone del DNA, utilizzando tecnologie molto innovative; non solo, ma nel corso

cercheremo di capire come si analizzi il DNA di individui nel passato, ovvero come si ricostruisce il DNA di

individui afferenti al genere Homo – non per forza alla nostra stessa specie –, ma che non vivono più. Questo

ci permetterà di ricostruire la storia naturale della nostra specie. Questi studi hanno degli aspetti applicativi

importanti, poiché le stesse tecniche che utilizziamo per ricostruire il DNA di individui vissuti nel passato sono

trasferibili alle scienze forensi.

L’antropologia ha anche degli importanti aspetti in ambito biomedico, relativi alla cosiddetta medicina

→

personalizzata, che si basa sull’utilizzo di farmaci che funzionano in maniera personale magari ci sono dei

recettori che sono differenti tra individui, a causa del fatto che è diverso il gene che codifica per questi

recettori.

Esiste infatti una variabilità genetica all’interno della nostra stessa specie, e l’antropologia si occupa proprio

di studiare questa variabilità genetica. Conoscere la variabilità genetica della nostra specie ci permette di fare

anche degli studi più precisi, per quanto riguarda ad esempio la medicina personalizzata.

Studi recenti, a tal proposito, hanno messo in evidenza come la risposta individuale e diversificata al Covid-

19 dipende dalla variabilità genetica che c’è in particolari geni.

Noi ci occuperemo quindi anche di capire come si studia la variabilità genetica.

Gli studi sull’antropologia si possono dividere in:

(1) Pre-DNA era;

(2) Post-DNA era

Da quando abbiamo iniziato a studiare la molecola del DNA ci si è aperto sicuramente un mondo. Infatti, nel

pre-DNA era si utilizzavano metodi di carattere immunologico, per esempio per andare ad indagare la

→

parentela di specie, confrontando le reazioni del sangue di diverse specie con numerosi antisieri specie

strettamente imparentate reagiscono allo stesso modo allo stesso antisiero. In passato, prima dell’avvento

dello studio del DNA, una delle analisi che veniva fatta e che serviva per confrontare due individui che

appartenevano a due specie diverse, o per verificare chi fosse più simile – dal punto di vista evolutivo – tra 3

individui appartenenti a 3 specie diverse, era quella di andare a studiare elettroforeticamente delle proteine

estratte da questi individui; veniva fatta infatti un’estrazione proteica, le proteine venivano fatte migrare in

campo elettroforetico, e quello che succedeva era che le proteine tra loro più simili avevano una corsa più

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simile pertanto, individui le cui proteine estratte avevano una corsa elettroforetica più simile erano detti,

dal punto di vista evolutivo e filogenetico, individui simili. In questo modo non era però molto semplice

andare a ricostruire alberi filogenetici che permettessero poi di andare a fare grosse inferenze circa le

evoluzioni evolutive che ci potevano essere tra differenti specie, però questo era l’approccio del pre-DNA

era.

Successivamente, nella post-DNA era, con lo sviluppo delle tecnologie molecolari che sono legate soprattutto

a tecniche di biologia molecolare, che riguardano l’amplificazione del DNA, il sequenziamento automatico

del DNA e che riguardano il sequenziamento NGS, si ha un notevole incremento di lavori che indagano le

sequenze nucleotidiche del DNA. Queste indagini ci permettono di chiarire e di amplificare e di approfondire

le conoscenze, sia in campo evolutivo che in campo popolazionistico. Grazie quindi alla scoperta della doppia

elica del DNA, riusciamo ad avere un sacco di informazioni che ci permettono di approfondire le conoscenze

a livello molecolare che sussistono tra individui viventi, tra specie differenti, permettendoci poi di andare a

ricostruire la storia evolutiva degli individui stessi.

Grazie allo sviluppo di queste nuove tecniche non è solo possibile studiare individui che vivono oggi (=noi),

ma è possibile anche andare a puntare il nostro sguardo sugli individui che sono vissuti nel passato. È quindi

possibile andare a indagare individui che sono vissuti 100, 500, 1000, 10.000 anni fa; si tratta di individui

afferenti al genere Homo, ma è possibile anche andare ad analizzare il DNA di individui vissuti 20.000, 30.000

o 40.000 anni fa; è stato possibile ricostruire il genoma dell’Homo di Neanderthal, e dell’Homo

heidelergensis. È stato addirittura possibile scoprire che nel nostro passato evolutivo sono vissute delle

specie che noi non conosciamo, ma che sicuramente hanno contribuito al nostro DNA.

Pertanto, riusciamo a ricostruire un puzzle incredibile che riguarda la nostra specie: Homo sapiens.

Dalla seconda metà degli anni ’80 si assiste ai primi studi sul DNA di individui vissuti nel passato, ovvero sul

cosiddetto DNA antico (aDNA).

Nella ricostruzione di un genoma possiamo andare a recuperare tante informazioni interessanti, che non

riguardano solo la variabilità genetica ma anche aspetti di carattere fenotipico (ovvero il colore della pelle,

degli occhi, dei capelli ecc). Questo ha quindi delle ricadute applicative dal punto di vista forense, perché io

vado a recuperare il DNA di un individuo sulla scena di un crimine e ci faccio l’analisi genomica, riesco a capire

le caratteristiche fenotipiche dell’individuo, riuscendo a fare un identikit di carattere molecolare.

Quindi, la lettura di un genoma ci dà numerose opportunità, perché ci consente di studiare sia gli aspetti

fenotipici ma anche i rapporti evolutivi che sono intercorsi tra individui che afferiscono al nostro stesso

genere. Nell’immagine è riportata la riproduzione di Danny, una ragazzina ibrida di 13 anni che aveva un

genitore Neandertaliano e un genitore Denisoviano, tutti e due individui appartenenti al genere Homo.

GENOMA NUCLEARE UMANO

Il termine genoma umano designa l’insieme di tutte le molecole di DNA che sono presenti in ogni cellula del

corpo umano, eccetto gli eritrociti. Non tutto il genoma è nel nucleo (nDNA), poiché esiste una parte molto

importante contenuta nei mitocondri, ovvero il DNA mitocondriale (mtDNA).

Il DNA contiene tutte le informazioni necessarie per lo sviluppo dell’organismo, e queste informazioni sono

contenute nei geni. La cosa sorprendente è che i geni costituiscono solo il 3% del DNA totale (questo 3%

corrisponde a circa 20.000 geni), e questo lo abbiamo scoperto col sequenziamento del genoma umano. Il

restante 97% non è DNA codificante, ma svolge un ruolo molto importante dal punto di vista funzionale e

della regolazione genica, della promozione dell’espressione e anche un ruolo strutturale molto importante.

Il DNA non codificante ha un ruolo anche molto importante per i nostri studi. Infatti, come avremo modo di

vedere, quello su cui noi ci focalizzeremo sarà principalmente il DNA che non codifica, e questo perché ciò

che non codifica è un DNA che non è sottoposto a fenomeni selettivi, e quindi le variazioni che si osservano

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in questo DNA sono frutto di 2 fenomeni principali: il tempo e il caso. Il DNA non codificante è quindi di nostro

interesse è quello su cui possiamo andare ad osservare la variabilità genomica.

Per cariotipo umano di indica, in citogenetica, la costituzione del patrimonio cromosomico della nostra

specie, dal punto di vista numerico e morfologico, dipendente dalla spiralizzazione del DNA e dalla sua

organizzazione in diversi cromosomi. Il cariotipo umano è dato da 46 cromosomi, 2 cromosomi sessuali (X e

Y; il cariotipo maschile è XY e quello femminile è XX) e 44 autosomi.

Il progetto genoma umano ha permesso di conoscere più in dettaglio l’architettura delle sequenze di DNA. Il

15 e il 16 febbraio 2001, la rivista Nature e la rivista Science hanno pubblicato per la prima volta l’intera

sequenza del genoma umano. Questo è stato un evento molto importante. Il genoma umano è stato

depositato nelle banche dati, senza andare incontro a brevetto.

L’aspetto sorprendente che si scoprì è che i geni risultavano essere in un numero decisamente inferiore a

quanto ci si aspettasse, intorno a 23.224, appena il triplo della Drosophila e circa il doppio di quelli di un

anellide Caenorhabditis. Cioè che è importante non è quindi la numerosità dei geni, bensì come questi si

esprimono.

o STRUTTURA DEL GENOMA UMANO NUCLEARE

Quello che però interessa a noi è come il genoma umano nucleare è strutturato. Infatti, se in cima al

diagramma ho il 100% del genoma umano, lo posso suddividere in un 30% di geni e sequenze relative a geni,

e un 70% di DNA extra-genico, non appartenente ai geni:

1. 30% di sequenze geniche. Di questo 30%, solamente un 3% riguarda regioni codificanti, mentre il 27%

restante riguarda invece introni, pseudogeni, frammenti, promotori ecc, ovvero tutte parti di regioni che

fanno parte sì del 30% di DNA riguardante i geni e sequenze a essi correlate, ma non sono regioni

codificanti.

2. 70% di DNA extra-genico. Un 55% di questo 70% corrisponde a DNA unico, ovvero a sequenze uniche;

un 15% invece è relativo a DNA ripetitivo. Il DNA ripetitivo può a sua volta essere 1) DNA intersperso

ripetitivo (SINEs e LINEs se le ripetizioni intersperse sono minori di 500 pb e maggiori di 500 pb

→

rispettivamente), oppure 2) DNA tandemly-repeated, ovvero ripetuto in tandem significa che le

ripetizioni sono tra di loro alternate. Il DNA ripetuto in tandem si divide, a sua volta, in 3 tipologie di

ripetizioni:

- DNA microsatellite. Il DNA microsatellite è un DNA che è particolarmente rilevante per i biologi forensi

(sono i famosi STR o Short Tandem Repeats). Non a caso fa parte della categoria del DNA ripetuto in

tandem;

- DNA minisatellite. Può essere un DNA telomerico (sta nel telomero del cromosoma) e un DNA

ipervariabile (significa che è un DNA che varia molto tra individuo e individuo);

- DNA satellite.

Il nome di questi 3 DNA dipende dalla tipologia delle ripetizioni, in particolar modo nella grandezza delle

ripetizioni.

Per i nostri studi, il DNA che a noi interessa sta nel DNA extra-genico unico, alcune volte sta nelle regioni

codificanti e altre volte sta nel DNA microsatellite (in inglese si parla di “Microsatellites”).

DNA RIPETITIVO INTERSPERSO. Siamo nel 70% di DNA extra-genico. Il DNA ripetitivo intersperso prevede

che le singole unità ripetute non sono raggruppate ma sparse in più punti del genoma. Gli esempi più comuni

sono le sequenze SINEs e le sequenze LINEs (lui le pronuncia all’italiana):

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(3) LINEs. Sono sequenze associate prevalentemente a DNA genomico ricco in A/T perché tendono a

posizionarsi in regioni del cromosoma povere di geni, allo scopo di imporre il minimo impatto

mutazionale al genoma;

(4) SINEs. Sono associate prevalentemente a DNA genomico ricco in G/C. Questo perché sembra che tali

sequenze svolgano una qualche funzione positiva per il genoma; esse sembrerebbero espresse in

condizioni di stress ed i risultanti RNA legherebbero una particolare proteina chinasi PKR e

bloccherebbero la sua capacità di inattivare la traduzione.

MARCATORI MOLECOLARI

o DNA RIPETUTO IN TANDEM

È un DNA costituito da blocchi di sequenze che possono trovarsi in poche o in molte localizzazioni

cromosomiche differenti. A seconda delle dimensioni medie di questi blocchi di sequenze che si ripetono, si

possono suddividere in 3 sub-classi: minisatellite, microsatellite e satellite:

(1) DNA SATELLITE

Il DNA satellite comprende un grande gruppo di blocchi di DNA ripetuto in tandem con singole unità ripetute

più o meno complesse; il DNA di questo tipo non è trascritto, e costituisce praticamente il grosso

dell’eterocromatina del genoma, localizzandosi inoltre preferibilmente al centromero, ovvero al centro del

cromosoma; Il DNA satellite è quindi un DNA che è intersperso nei cromosomi.

(2) DNA MINISATELLITE

Comprende 2 tipi di sequenze di DNA ripetuto in tandem, non trascritto, di modeste dimensioni e disperso

nel genoma nucleare: minisatelliti telomerici e minisatelliti ipervariabili (che variano molto). E’ quindi un

DNA che si trova nelle parti telomeriche dei cromosomi, e può essere anche un DNA ipervariabili (e si parla

di DNA VNTR, che è un DNA che viene utilizzato per il DNA fingerprinting).

Il DNA telomerico è un DNA che è localizzato all’estremità dei cromosomi, e quindi nei telomeri. E’

rappresentato da 10-15 kb di unità esanucleotidiche, formate da 6 nucleotidi, che si ripetono in tandem. In

particolare, le ripetizioni sono: TTAGGG, che di solito vengono aggiunte dall’enzima telomerasi. Queste

ripetizioni sono responsabili delle funzioni dei telomeri, agendo da protezione, all’estremità dei cromosomi,

dalla degradazione e dalla perdita di materiale. Inoltre, forniscono un meccanismo per la replicazione delle

estremità lineari del DNA cromosomico (aneddoto: il DNA dei telomeri agisce da protezione dell’estremità

→

dei cromosomi dalla degradazione e dalla perdita di materiale significa che tanto più un individuo è vecchio

e tanto più ha i telomeri “degradati”. La pecora Dolly fu clonata partendo da un DNA di una donatrice, i cui

cromosomi furono messi in un oocita che fu fatto riprodurre; la pecora Dolly è vissuta molto poco, perché è

stata clonata da una pecora non più giovane, e quindi aveva acquisito il DNA vecchio della donatrice e, infatti,

aveva i telomeri consumati).

Il DNA minisatellite ipervariabile (o VNTR – Variabe Number of Tandem Repeat = numero variabile di

ripetizioni in tandem) comprende sequenze altamente polimorfiche ed organizzate in oltre 1000 gruppi

(lunghi da 0.1 a 20 kb) di corte unità ripetute in tandem, che variano considerevolmente per dimensioni, ma

possiedono una sequenza comune centrale (detta anche core): GGGCAGGAXG. La X può essere una delle 4

basi. Molti di questi si trovano vicino ai telomeri, e la maggior parte di queste sequenze non sono trascritte,

eccetto alcuni elementi all’interno di sequenze intergeniche non codificanti. Il significato di queste sequenze

non è ancora chiaro, ma indipendentemente dalla loro reale funzione nel genoma umano, i VNTR iniziano ad

essere abbastanza importanti per una questione relativa al DNA fingerprinting (o DNA ad impronta digitale).

[Il motivo per cui noi riusciamo ad attribuire un DNA fingerprinting e a dire che i VNTR sono dei DNA

fingerprinting è perché sono DNA ipervariabili! Questo significa che i VNTR variano molto tra un individuo e

l’altro, e questo significa che si riesce a capire di chi è quel DNA perché è un DNA che non è simile ad un’altra

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persona poiché è un DNA molto variabile]. Questo DNA viene quindi utilizzato per l’identificazione personale,

anche se non sono i VNTR quelli che comunemente utilizzano quelli che fanno analisi genetiche e analisi

genomiche per l’identificazione personale, bensì un’altra categoria di marcatori molecolari che vedremo

velocemente.

Il DNA fingerprinting è una tecnica che permette l’identificazione individuale a livello molecolare,

analizzando le caratteristiche uniche del DNA di un individuo. Il DNA fingerprinting è, in particolare, il profilo

derivato dalla applicazione di determinati marcatori molecolari ad un genoma, al fine di renderlo

riconoscibile e tracciabile. Con il DNA fingerprinting abbiamo la possibilità di differenziare i diversi individui

perché, a differenza da un’impronta digitale convenzionale, l’impronta digitale del DNA non può essere

alterata da alcun trattamento conosciuto.

Queste differenze vengono utilizzate per studi che trovano sviluppo in diversi ambiti:

- Forense: risoluzione dei crimini ed identificazione delle vittime;

- Medico: diagnosi dei disordini ereditari, cure di sviluppo per i disordini ereditari e test di paternità;

- Evoluzionistico: genica di popolazione.

Il DNA minisatellite ipervariabile ha diversi problemi. Infatti, i VNTR presentano