Genetica di Popolazione ed Evoluzione

Introduzione

Per ricostruire il nostro passato dobbiamo attingere a delle fonti di informazione diverse tra di loro. Ad esempio le fonti archeologiche (prima fonte di informazione dello studio dell’evoluzione umana), la genetica (perché il DNA porta l’informazione di tutti i processi demografici delle popolazioni antiche della nostra specie – questo vuol dire che dall’analisi del nostro DNA siamo in grado di poter capire quando due popolazioni si sono separata l’una dalle altre; possiamo capire un determinato gruppo umano ha interagito con altre specie umane). Dunque le analisi genetiche vanno a completare le informazioni ricavate dalle analisi dei siti archeologici. La tecnologia ci ha inoltre tutto permesso di estrarre campioni biologici dai resti fossili, o dai siti archeologici. Permettendoci così di accedere al genoma dei nostri antenati.

Migrazioni dell'homo sapiens e contributo dell'analisi genetica

L’uomo moderno ha avuto origine in Africa circa 200,000 anni fa. Ha colonizzato il mondo interno partendo dal continente africano. Su alcune questioni esistono ancora delle diatribe. Una fra tutte è la modalità con cui l’homo sapiens ha lasciato il continente africano. Infatti c’è un dibattito molto acceso su quante ondate di diffusione i nostri antenati abbiamo dovuto seguire per poter arrivare a colonizzare tutto il mondo.

La comunità scientifica si divide in base a due ipotesi alternative:

• Modello a singola uscita (avviene 40-45 mila anni fa): la prima ipotesi viene chiamata “Out of Africa”, cioè una dispersione fuori dal continente africano, a singola uscita. Questo vuol dire che una piccola popolazione africana, con un unico grande evento è uscita dall’Africa, diffondendosi in Europa, Eurasia e recentemente in America.
• Modello a multipla uscita (avviene 100 mila anni fa per la prima, 45 mila anni fa per quella più recente): una valida alternativa. Secondo questa ipotesi, le ondate di diffusione sono state almeno due; la prima più antica ha coinvolto solo le popolazioni austronesiane. La seconda, molto più recente, ha coinvolto le popolazioni europee e asiatiche.

I genetisti hanno deciso di testare questi due modelli, andando ad analizzare il genoma di individui antichi (es. Homo sapiens arcaici), sia di individui attualmente vivi (uomo moderno). Come accennato già in precedenza (vedi capitolo 1) il DNA umano contiene le tracce di tutti i cambiamenti demografici avvenuti nella storia della nostra specie. I modelli altro non presentano che due fenomeni demografici differenti, quindi uno dei due modelli avrà lasciato delle tracce di cambiamenti demografici all’interno del DNA della specie umana. Le tracce all’interno del genoma devono essere ovviamente ricostruite tramite simulazioni. Di questi due modelli presumiamo di conoscere tutte le dinamiche demografiche e quindi date queste dinamiche noi possiamo simulare qual è la variabilità genetica attesa secondo il primo/secondo modello. Una volta prodotte queste simulazioni di variabilità genetica noi le confrontiamo con la variabilità genetica realmente osservata (quella variabilità genetica ottenuta analizzando i genomi degli individui di varie popolazioni attualmente in vita). Confrontando i dati ottenuti, abbiamo constatato quale dei due modelli ha prodotto dei dati di variabilità genetica più simili a quelli osservati. I dati ottenuti sembrano essere in accordo con il modello a multipla uscita.

Definizione di evoluzione

Cos’è l’evoluzione? È cambiamento, ma spesso viene frainteso come miglioramento o progresso. In realtà è un processo passivo non direzionale. L’azione dei processi evolutivi non ha uno scopo con un fine ultimo, quindi quello che realmente accade non è altro che una trasmissione di determinate caratteristiche da una generazione all’altra e di un successivo differenziamento di queste caratteristiche. Questi sono fatti assolutamente dimostrati, perché l’evoluzione è un processo avvenuto in tempi antichi che continua ad avvenire. Ci basti guardare l’albero delle specie viventi per capire non è un processo lineare volto alla produzione di esseri sempre più efficaci o perfetti.

L’immagine rappresenta tutte le interazioni filogenetiche evolutive di tutte le specie viventi. Vediamo che non c’è un’evoluzione lineare, infatti le specie appartenenti allo stesso regno coesistono tra loro. Nell’immagine a sinistra possiamo osservare le relazioni tra i mammiferi, ritrovando la nostra specie in fondo nell’angolo a destra, insieme a tutti gli altri primati: gorilla, scimpanzé, ecc. Possiamo dunque vedere, anche in questo caso, la relazioni che collegano la nostra specie a tutti gli altri mammiferi non sono delle relazioni lineari relative alla complessità dell’organismo. Nello schema generale inoltre, possiamo vedere addirittura le specie estinte, come i dinosauri. Quando si parla di evoluzione si intendono molte cose diverse: Il fatto che le specie cambiano nel tempo, e quindi ogni specie ha una sua storia.

Inoltre, con il termine evoluzione, si intende anche lo studio dei meccanismi attraverso i quali l’evoluzione si è compiuta e si compie. Infatti ricordiamoci che l’evoluzione è solo un cambiando della specie nel tempo, ma i meccanismi che agiscono su questi cambiamenti non fanno parte del processo evolutivo in sé. Ad esempio la selezione naturale è un meccanismo che agisce sull’evoluzione, contribuendo a modellare i cambiamenti che avvengono passando da una generazione all’altra.

Studiare l'evoluzione attraverso la genetica

Nel DNA di qualsiasi specie vi è un “record’’ (registrazione) di quelli che sono state tutte le fasi evolutive di una specie. Partendo dallo studio del confronto del DNA di specie o individui diversi, possiamo constatare le differenze tra specie o individui, di quantificarle e infine spiegare quali meccanismi hanno provocato queste differenze. Ad esempio il meccanismo che hanno differenziato l’antenato comune in scimpanzé o homo sapiens, due specie ben distinte. Le differenze tra il genoma umano e quello di uno scimpanzé possono essere quantificate, e dunque possiamo capire quanto antica è la separazione di queste due specie dall’antenato comune. Grazie al DNA non solo possiamo andare ad analizzare le interazioni infra-specifiche e intra-specifiche, ma possiamo anche capire le basi della diversità biologica, cercando di capire a cosa sono dovute le varie caratteristiche fisiche o morfologiche di ogni specie vivente (es. perché i pavoni hanno questo piumaggio estremamente colorato). Non solo: possiamo identificare le basi dell’adattamento ambientale delle specie in quella data zona.

Studio sull'orso polare - Adattamento all'ambiente

Guardando il DNA della specie possiamo identificare le caratteristiche che in quel determinato ambiente sono state selezionate positivamente, come nel caso dell’orso polare. In questo studio sull’orso polare, gli autori hanno campionato una serie di individui appartenenti a due specie di orso:

• La prima specie è l’orso polare, diffuso nel circolo polare artico
• La seconda specie è l’orso bruno, diffuso in Nord America e Fenno-Scandinavia (o Fennoscandia)

I principali interessi erano capire quali fossero le relazioni tra queste due specie, e quali geni dell’orso polare erano stati selezionati per adattarsi meglio alla ambiente artico e sopravvivere. I ricercatori si sono concentrati sullo studio di evidenze di selezione dell’orso polare. Hanno trovato due segnali di selezione, che riguardano due geni differenti. Il primo gene, chiamato apoB, è coinvolto nella catena metabolica degli acidi grassi ed è anche coinvolto nello sviluppo del tessuto adiposo. Il secondo gene, o secondo segnale di adattamento al clima freddo è un gene collegato al fenotipo bianco; un fenotipo estremamente comune nelle specie che vivono nel circolo polare artico. Si pensa dunque che il fenotipo bianco sia un vantaggio, perché aumenta la mimetizzazione aumentando conseguentemente le possibilità di successo durante la caccia.

Studio sul panda - Recettori del gusto

Un altro esempio di adattamento lo ritroviamo nel genoma del Panda, l’unico animale erbivoro appartenente al genere degli orsi. Per individuare il motivo del perché solo il panda segue un tipo di alimentazione erbivora, i ricercatori sono andati ad analizzare il genoma di questa specie. L’evidenza che sono riusciti ad estrapolare è un gene chiamato Tas1r1: questo è un gene legato ai recettori del gusto, e permette agli orsi di assaporare il gusto nella carne. Nei panda il gene Tas1r1 è disattivato, non funzionale. Spiegando così l’incapacità dei panda di assaporare la carne e così gradualmente abbia spostato la sua attenzione dal consumo di carne, al consumo di bambù.

Studio sull'orso marsicano – Variabilità e sopravvivenza

Questa specie di orso, che abita sugli Appennini italiani, ha una storia particolare. È una specie numericamente piccola, e solitamente quando una specie ha una dimensione di individui estremamente ridotta facilmente viene classificata come specie in via di estinzione, o a rischio. Ma dallo studio del suo genoma è risultato che questa specie ha pochissime variabilità, dunque pochissime chance di riuscire a rispondere in modo efficace ad eventuali cambiamenti di ambiente, però questo non vale per tutte le regioni del loro genoma. Infatti gli autori di questo studio hanno identificato che in alcuni geni l’orso marsicano presenta ancora un’elevata variabilità, e questi geni estremamente importanti per la sopravvivenza dell’orso. Il primo gene riguarda il senso dell’olfatto, gli altri geni sono invece legati al sistema immunitario dell’animale. In questi due geni per la sopravvivenza le variabilità sono alte, a differenza delle altre regioni del genoma dove la variabilità è minore.

Applicazioni mediche

Una delle possibili applicazioni mediche è lo studio della variazione dei virus, l’identificazione e la prevedibilità dell’andamento di determinati virus o batteri, in modo da poter designare una appropriata terapia che possa combattere l’insorgenza di questi patogeni, superando così la farmacoresistenza, un problema estremamente grave, soprattutto per quando riguarda la farmacoresistenza agli antibiotici. Abbiamo anche delle applicazioni dell’ambito della medicina forense. Lo studio dei campioni di DNA prelevati da una scena del crimine; l’analisi di caratteristiche genetiche permettono di identificare i possibili sospettati di un crimine.

Studio sulla popolazione tibetana

Gli autori hanno confrontato il genoma di alcuni individui Tibetani e di altri individui Cinesi. Da confronto del genoma di questi due gruppi etnici i ricercatori hanno identificato delle differenze in un gene: EPAS1, un gene coinvolto nella produzione dell’emoglobina, e come sappiamo l’emoglobina ha la funzione di trasportare l’ossigeno dei tessuti del corpo. Ciò che hanno constatato è che nei Tibetani è presente una variante di questo gene che produce molta più emoglobina che nella variante genica presente nella popolazione cinese. L’origine della variante di questo gene dovrebbe essere stata ereditata con un contatto tra popolazioni antiche di Homo sapiens con Homo di Denisova, del quale si conosce ancora pochissimo.

Studio dell'origine dell'evoluzione di importanti epidemie

Attraverso lo studio genetico dei patogeni, possiamo capire l’origine e anche l’evoluzione di importanti epidemie passate. Uno studio ha analizzato dei campioni di Yersinia pestis, ovvero il patogeno della Peste Nera. I ricercatori erano interessati ad identificare le differenze tra i ceppi attualmente presenti in alcune zone del mondo, e i ceppi di Y. pestis che hanno causato la Peste Nera in Europa (1347-1351). Perché i ceppi del 1300 erano più aggressivi e quelli attuali sono meno virulenti? Sono andati a campionare le sepolture del periodo medievale nei cimiteri di Londra, per poi confrontare i campioni con i ceppi moderni dello stesso batterio. Quello che hanno scoperto è estremamente sorprendente: i due ceppi non presentano nessun tipo di differenza che possa spiegare la differenza di aggressività. Ciò che ha reso letale la peste nera non era tanto la caratteristica del genoma del patogeno, ma le abitudini sociali particolari del periodo medievale.

Un altro studio delle pandemie riguarda invece la diffusione dei patogeni che hanno decimato le popolazioni indigene messicane, subito dopo il contatto con le popolazioni europee. Molti patogeni che hanno causato gli alti livelli di mortalità tra gli indigeni non sono ancora identificati. Nello studio genomes recovered from victims of a major 16th century epidemic in Mexico hanno confrontato dei campioni di microrganismi campionati dalle sepolture di individui morti prima dell’arrivo degli europei, con dei campioni prelevati da delle sepolture di individui deceduti post-contatto con gli europei. Con la metodologia “meta genomica’’ hanno analizzato tutte le specie presenti in tutti i due e campioni (indigeni deceduti post e pre-contatto con gli europei). Hanno scoperto che l’unico patogeno che non era presente nelle sepolture pre-contatto era la Salmonella enterica (S. enterica).

Basi di biologia evoluzionistica

Esploriamo le varie fasi che hanno portato alla formulazione della teoria dell’evoluzione fatta da Darwin. Dunque il primo principio si basa sul cambiamento, quindi la trasmissione di modificazione con il passare del tempo di generazione in generazione. Il secondo principio afferma che il cambiamento viene ereditato a seconda delle pressioni evolutive esercitate dall’ambiente sulle specie che lo abitano; questo prende il nome di evoluzione per selezione naturale. TL; DR: Charles Darwin propose due teorie principali: la prima è quella della discendenza con modificazioni, ovvero l’evoluzione; la seconda è la teoria dell’evoluzione per selezione naturale. Un aspetto importante delle modificazioni e di come si trasmettono di generazione in generazione, è che queste modificazioni hanno un significato evolutivo solo se avvengono a livello di gruppi di popolazioni o specie, a livello di individuo non hanno un significato evolutivo. Queste modificazioni possono essere modificazioni lievi che avvengono a livello di specie (es. le differenze dell’espressione di un gene), oppure possono essere delle modificazioni estremamente rilevanti che portano a dei cambiamenti radicali (es. la formazione di due specie diverse: rettili – uccelli). Ovviamente le modificazioni rilevanti che portano alla formazione di specie completamente distinte, non sono altro che un accumulo di modificazioni lievi. Futuyama: Capitolo 1; Ferraguti & Castellacci: Capitoli 2,6

Esempio dell'evoluzione batterica – Farmacoresistenza

L’esempio cardine dei principi della teoria dell’evoluzione di Darwin è l’evoluzione dei batteri. Come sappiamo molti batteri sono la causa dell’insorgenza di infezioni, e fino ai primi anni del 20^° secolo le persone morivano per sepsi, shock settico, sifilide, tubercolosi e polmonite. La situazione comincia a cambiare nel 1960, durante un periodo di studi sugli antibiotici (penicillina). Si pensava che con l’utilizzo degli antibiotici si potesse interamente eradicare il problema delle infezioni batteriche. Oggi sappiamo che questa previsione era errata; perché i batteri possono sviluppare delle resistenze agli antibiotici. Questa caratteristica viene chiamata farmacoresistenza o antibiotico resistenza, rappresenta un problema estremamente grave perché le malattie e le infezioni che sembravano essere stata debellate, si stanno recentemente diffondendo, e le terapie antibiotiche che venivano usate per combattere queste malattie risultano inefficaci. Come hanno acquisito i batteri la caratteristica di sopravvivere agli antibiotici? Consideriamo due ipotesi: il farmaco ha indotto la mutazione, oppure i batteri presentano già una mutazione dormiente, possibilmente attivabile sotto la pressione della selezione antibiotica. Ovviamente oggi sappiamo che tra le mutazioni già presenti nel pool dei batteri sono presenti queste variazioni che conferiscono resistenza ai farmaci, ma non sono evidenti, perché l’ambiente in cui il batterio proliferava non richiedeva una resistenza specifica. Ricordiamoci che la causa dello stress biologico selettivo (in questo caso l’antibiotico) non è mai la causa del processo mutazionale. Quindi: il cambiamento dell’ambiente non produce una mutazione favorevole nelle specie esposte a questa pressione selettiva. La mutazione è un processo casuale e indipendente, perché le mutazioni possono essere già presenti all’interno del pool della specie.

Basi dell'evoluzionismo – Prima di Darwin: Lamarck

“Lamarck fu il primo le cui conclusioni sull’evoluzione attrassero molta attenzione. Questo naturalista giustamente celebrato per primo richiamò l’interesse sul fatto che i cambiamenti del mondo organico come quello inorganico, siano il risultato di leggi e non avvengano per miracolosa interposizione’’ (Charles Darwin, 1861). Lamarck propose la teoria che i cambiamenti nel mondo biologico erano il risultato di leggi naturali.