Evoluzione dei genomi animali

OROLOGI MOLECOLARI

Utilizzo di porzioni di genomi o genomi interi come mezzo per datare eventi biologici

A partire dagli anni Sessanta, si è parlato di utilizzare il genoma per datare degli eventi. Zuckerkandl e Pauling nel 1965 ipotizzano che una data macromolecola (DNA o proteina) possa avere un tasso di evoluzione relativamente costante nel tempo e che possa essere utilizzato per datare eventi biologici. Nella geologia e nella storia viene utilizzata la radioattività e la sua decadenza per fare una datazione. Questi due studiosi pensavano che usando le macromolecole fosse possibile fare lo stesso per datare un processo biologico.

Asse ordinate → sostituzione nucleotidica

Asse ascisse → tempo

I dati si distribuiscono in maniera regolare tale da permettere un processo di datazione. A quell'epoca la biologia molecolare non si era ancora affermata, ci si basava sulla morfologia. Geni diversi variano a velocità diverse, nel genoma non c'è

una velocità costante

Sono anni in cui si celebra il "grande divorzio": separazione tra il biologo legato ai dati morfologici e il biologo legato a dati molecolari

Il tasso di evoluzione però non è costante all'interno del genoma

Guardando molecole diverse che possono essere utilizzate come orologi molecolari in linee diverse, è possibile vedere tassi evolutivi che effettivamente variano

Nel 1967 Sarich e Wilson provano a separare le linee evolutive dell'uomo da quelle degli altri primati

E' avvenuta una profonda separazione della linea degli umani rispetto agli altri primati datata a un tempo che superava i 15 milioni di anni

Separano la linea dell'uomo rispetto al gorilla e agli scimpanzé solo 5 milioni di anni fa

E' presente un errore nella linea di separazione con i gorilla, che è effettivamente più profonda

Ma per quanto riguarda gli scimpanzé è corretto (6/6.5 milioni di anni)

Questa

L'idea fu alla base di una grande modifica dell'albero:

Visione tradizionale: superfamiglia Homoidea → famiglia omide porta solo all'uomo, dall'altra parte ci sono≫ gli altri primati antropomorfi

Visione moderna: nella superfamiglia Ominidi ci sono anche gorilla e scimpanzé≫

Come funzionano gli orologi molecolari?

Si osserva il tasso di sostituzione in linee diverse, ma questo tasso di sostituzione non è un tempo → ma un numero di variazioni

Come facciamo a sapere in quanto tempo si sono verificate queste variazioni?

Serve un punto di calibrazione → consente una datazione certa che permette di mettere il tasso di variazione osservato correlato con un tempo reale

Gli orologi molecolari hanno permesso la datazione virus dell'HIV, l'origine risale agli anni '30 del Novecento

Alcuni punti di calibrazione possono essere fossili o geologici

Esempio: ci sono delle specie di grilli di grotta che vivono sulla terraferma in Toscana, quando

cromosomi. Questa teoria suggerisce che le mutazioni a livello molecolare non sono influenzate dalla selezione naturale, ma sono il risultato casuale della deriva genica. L'orologio molecolare, quindi, può essere utilizzato per stimare il tempo trascorso dalla separazione delle popolazioni di grilli sull'isola del Giglio e sull'Argentario. Utilizzando gli alloenzimi, i geologi hanno stimato una distanza evolutiva di circa 850.000 anni tra i due tipi di grilli. Tuttavia, è importante notare che la separazione delle popolazioni potrebbe essere avvenuta anche prima della separazione dell'isola del Giglio. Pertanto, l'orologio molecolare diventa interessante quando viene abbinato alla teoria della neutralità, che suggerisce che le evoluzioni a livello molecolare sono principalmente guidate dall'effetto della deriva genica. In sintesi, la separazione tra l'Argentario e l'isola del Giglio ha portato all'isolamento delle popolazioni di grilli. Utilizzando l'orologio molecolare e gli alloenzimi, è stata stimata una distanza evolutiva di circa 850.000 anni tra i due tipi di grilli. Tuttavia, la separazione potrebbe essere avvenuta anche prima dell'isola del Giglio. La teoria della neutralità suggerisce che le evoluzioni a livello molecolare sono principalmente guidate dalla deriva genica.

Mutazioni

Essendo la probabilità di fissazione di una mutazione inversamente proporzionale alle dimensioni della popolazione, in un caso di neutralità stretta possiamo dire che il tasso di sostituzione è uguale al tasso di mutazione.

Nelle condizioni in cui vale la neutralità pura, valgono anche gli orologi molecolari.

Non c’è una coerenza totale.

Relative-rate test

Non è un orologio molecolare, è un test che permette di capire se due linee evolutive stanno evolvendo con dei tassi evolutivi che sono comparabili. Bisogna capire se A e B hanno un tasso evolutivo comune.

Separazione all’interno dell’albero → fatto albero unrooted.

Calcolate quali sono le divergenze dal punto O. Vedere se il tasso di sostituzione tra A e B è coerente e quindi il tasso di sostituzione tra A e O e B e O è sostanzialmente lo stesso.

Il relative-rate test ha il compito di dire se è possibile applicare un orologio molecolare senza problemi.

anni. Ad esempio, se confrontiamo due specie di uccelli, una con un tempo di generazione di 1 anno e l'altra con un tempo di generazione di 5 anni, possiamo aspettarci che la seconda specie abbia un tasso di evoluzione più lento rispetto alla prima. • Tasso metabolico Il tasso metabolico di un organismo può influenzare il tasso di evoluzione. Gli organismi con un metabolismo più veloce tendono ad avere una maggiore frequenza di mutazioni e quindi un tasso di evoluzione più rapido. Al contrario, gli organismi con un metabolismo più lento possono avere un tasso di evoluzione più lento. • Reale dimensione della popolazione La dimensione effettiva della popolazione può influenzare il tasso di evoluzione. Le popolazioni più grandi hanno una maggiore variabilità genetica e quindi un tasso di evoluzione più rapido. Al contrario, le popolazioni più piccole possono avere un tasso di evoluzione più lento. • Evoluzione dei geni considerati I geni considerati per lo studio dell'evoluzione possono avere tassi di evoluzione diversi. Alcuni geni possono essere soggetti a una maggiore pressione selettiva e quindi evolvere più rapidamente, mentre altri geni possono essere soggetti a una minore pressione selettiva e quindi evolvere più lentamente. • Cambiamenti nella selezione naturale I cambiamenti nell'ambiente e nella selezione naturale possono influenzare il tasso di evoluzione. Se l'ambiente cambia rapidamente, gli organismi possono essere sottoposti a una maggiore pressione selettiva e quindi evolvere più rapidamente. Al contrario, se l'ambiente cambia lentamente, gli organismi possono essere sottoposti a una minore pressione selettiva e quindi evolvere più lentamente. In conclusione, il tasso di evoluzione può variare tra le linee di organismi viventi a causa di diversi fattori come il tempo di generazione, il tasso metabolico, la dimensione della popolazione, l'evoluzione dei geni considerati e i cambiamenti nella selezione naturale.

Una molecola usata come orologio molecolare “corre più veloce” negli organismi con un tempo di generazione più ridotto.

A sinistra 3 pallini, a destra 9 pallini.

Gli organismi a sinistra compiono solo 3 generazioni nel tempo, quelli a destra ne compiono 9.

Un numero maggiore di generazioni è correlato con un accumulo maggiore di sostituzioni• Tasso metabolico.

Gli organismi che hanno tempi di generazione più rapidi sono anche organismi che hanno tassi metabolici più accelerati.

Avviene un aumento del tasso mutazionale per via dell’aumento della produzione di radicali liberi.

Aumento tasso mutazionale = aumento delle sostituzioni.

Organismi grandi hanno tassi metabolici e tempi di generazione minori• Dimensione delle popolazioni.

Se una popolazione ha una dimensione ridotta, questo potrebbe influenzare l’evoluzione del gene.

Caso dei ghepardi: il numero effettivo dei riproduttori è inferiore al numero totale della popolazione.

sono organismi difficili da datare<br>Gli orologi molecolari risentono molto della scarsa dimensione della popolazione in cui i geni sono contenuti<ul><li>Evoluzione genica</li></ul>Nel genoma di un organismo non tutto il DNA viene riparato con la stessa efficienza<br>Secondo alcuni, la diversa efficienza è un modello di regolazione<br>I geni sottoposti a una forte pressione selettiva esterna (es: colorazione delle falene della betulla) non sono buoni candidati per diventare degli orologi molecolari<br>Non esistono orologi molecolari universali, ma esistono orologi molecolari locali di organismi che condividono caratteristiche comuni<br>Quando si ragiona sugli orologi molecolari ci si trova in un mondo che è possibile definire "grigio"<br>Da un lato ci sono i sostenitori di una totale assenza di un orologio molecolare, dall'altra parte c'è chi pensa che esista un orologio molecolare stretto e quindi una totale neutralità<br>Sono posizioni estreme, sono situazioni che non si possono generalizzare.

realizzano in quanto la maggior parte delle volte si tratta di posizioni intermedie

Un orologio molecolare stretto e locale funziona abbastanza bene, ma nella maggioranza dei casi si ha bisogno di orologi molecolari tra organismi tra cui ci sono delle variazioni

Strategie: usare più geni, non usare orologi monogenici, usare più punti di calibrazione

Idea di un orologio molecolare rilassato → considera la possibilità che l'orologio molecolare non abbia un tasso di sostituzione fisso, il tasso di evoluzione delle diverse linee può variare

RNA INTERFERENCE

Nel 1998 esce il paper di Fire e Mello che descrive come, in C. Elegans, attraverso dei double strand RNA era possibile produrre un silenziamento genico senza un processo di manipolazione genica

Effetto a posteriori sul genoma → RNA interference

Nel 1990 Jorgensen aveva incontrato un meccanismo simile: stava cercando di ottenere delle varianti colorate di petunia introducendo il gene del colore e il

suo promotore, ma ottenne il risultato opposto. Anziché ottenere una colorazione potenziata, avveniva una decolorazione → questo processo fu chiamato co-soppressione. Esiste anche nel mondo dei funghi (quelling). Sono delle situazioni di controllo del genoma che vanno sotto il nome di post transcriptional gene silencing. Fire e Mello si rendono conto che questo dsRNA potrebbe arrivare dalla dieta. Infatti, ingegnerizzando dei batteri, sono in grado di fare sì che dei dsRNA possano entrare nell'ospite e andare a implementare l'azione di interferenza. Nei mammiferi non c'è questo effetto trattando una cellula di mammifero con un dsRNA → tendenzialmente è un segnale di attacco virale, per questo la molecola viene costantemente degradata. Circa l'1.5% codifica per miRNA. I frammenti di dsRNA hanno delle estremità protrudenti e sono lunghi circa 20 nucleotidi. Vengono generati da DICER, una RNAsi 3-like, molto conservata negli eucarioti. In C.

elegans, i frammenti vengono legati a un complesso proteico → RNA inducing silencingcomplex (RISC), consumando ATP avviene l’attivazione del dsRNA

Nel complesso RISC viene preparato il dsRNA

Il legame tra RISC e il siRNA è mediato dalla fosforilazione dell’estremità 5’

Viene aperto e tenuto uno dei due filamenti come stampo per riconoscere l’mRNA target → l’mRNA

riconosciuto viene clivato, in questo modo avviene l’inattivazione post-trascrizionale del gene

Il complesso RISC è formato da proteine molto conservate, chiamate Argonaute

Presentano due domini molto conservati:

• PAZ → ha una tasca dove viene ospitata la molecola di ssRNA che funge da stampo di riconoscimento dell’mRNA
• PIWI → effettua il cleavage

Nei mammiferi ci sono dei geni che producono dei microRNA → frammenti di RNA che vengono prodotti e danno origine a delle strutture che in determinate posizioni formano delle forcine

(pri-microRNA)Drosha e Pasha processano il pri-microRNA producendo un pre-microRNA → pezzo di ssRNA che presenta una forcina. Viene exportato a