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mercoledì 23 luglio 2008

EVOLUZIONE SISTEMICA 3

Da dove deriva la complessità dei mammiferi in generale e dell’uomo in particolare?

Con la decifrazione della sequenza del DNA umano, si è scoperto che il numero totale del geni che compongono il nostro genoma è estremamente basso, solo 25.000 rispetto ai 100.000 ipotizzati. Un numero davvero sorprendente, se si pensa che il genoma della Drosophila, il moscerino della frutta, è composto da 15.000, mentre quello dei vermi, mediamente, da 20.000.

In un lavoro pubblicato sui Proceedings of the National Academy of Sciences, un guppo di ricercatori dell’Istituto di Biologia Cellulare (IBC) del CNR ha fatto luce sui meccanismi dell’espansione dell’informazione genetica.

“I geni presenti nel DNA dei cromosomi umani”, spiega Glauco Tocchini-Valentini, responsabile del gruppo di ricerca, “sono copiati da macchine enzimatiche localizzate nelle cellule, che producono molecole di RNA corrispondenti alle sequenze del DNA che subiscono poi alcuni processi di modifica prima di essere utilizzate come istruzioni nella produzione delle sequenze di amminoacidi che compongono le proteine".

Tra queste modificazioni, la più importante è la rimozione di regioni interne non codificanti, chiamate "introni", e la successiva giunzione delle sequenze rimanenti, dette "esoni", che possono essere anche completamente o solo parzialmente non codificanti, ma che si ritrovano nell'RNA modificato, detto "maturo". Tale processo di "taglia e cuci", chiamato "splicing", è essenzialmente analogo all’operazione di montaggio di un film, in quanto prevede l’eliminazione di scene e l’unione di tratti differenti di pellicola.

"Normalmente, i differenti esoni che vengono congiunti nel processo di splicing sono presenti sulla stessa molecola di RNA”, continua Tocchini-Valentini, “ma il nostro lavoro dimostra che le cellule sono in grado di congiungere esoni lontani fra di loro e addirittura localizzati su molecole di RNA diverse, come se si unissero spezzoni di pellicole di film differenti".

Ciò significa che la cellula può formare nuove e inaspettate proteine, derivanti dalla fusione di domini di proteine diverse. "Il meccanismo di funzionamento", dice ancora Tocchini-Valentini "può essere paragonato a ciò che accade decomprimendo un file archiviato in un computer: una subroutine, ossia un’unità logica di un programma, contenente una piccola ma fondamentale molecola chiamata "tRna" (RNA di trasferimento), possiede le istruzioni necessarie ad assemblare e fondere assieme parti di due catene di RNA distinte tra loro, ottenendo così nuove sequenze in grado di produrre particolari tipi di proteine, non ricavabili dalle istruzioni iniziali”.

Le informazioni presenti nel DNA vengono così espanse durante i diversi meccanismi di espressione genetica e le varie sequenze geniche possono congiungersi con altre sequenze, anche lontane, per produrre nuove molecole funzionali.

"Il concetto di espansione dell’informazione”, conclude Tocchini-Valentini, “formulato in passato dal filosofo tedesco Leibniz, può aiutare a comprendere la ragione della straordinaria complessità umana”.

Ricercatori dello European Bioinformatics Institute, parte dello European Molecular Biology Laboratory (EMBL-EBI), hanno rilevato alcuni errori sistematici nei metodi esistenti per comparare sequenze genetiche di diverse specie e indagare le relazioni evoluzionarie (il lavoro è stato pubblicato su Science).

Grazie ad un nuovo strumento bioinformatico messo a punto per evitare gli errori, sono riusciti a fornire un nuovo quadro dell'evoluzione del DNA e delle sequenze proteiche che suggerisce come il turnover sia molto più comune di quanto si ritenesse finora.

"L'evoluzione accade molto lentamente, tanto che non possiamo studiarla semplicemente osservandola", dice Nick Goldman, leader del gruppo che ha condotto la ricerca, "per questo dobbiamo imparare dalle relazioni che intercorrono tra le specie comparando diverse sequenze genetiche".

Le quattro lettere che formano il codice del DNA di tutte le cose viventi cambiano nel tempo; ad esempio, lettere singole o multiple possono venire copiate in modo non corretto (sostituzione), perse (cancellatura) o guadagnate (inserzione). Tali cambiamenti possono causare modifiche strutturali e funzionali nei geni e nelle proteine e finanche la formazione di nuove specie. Solo ricostruendo la storia di queste mutazioni si può tentare di conoscere il corso dell'evoluzione.

La comparazione di sequenze multiple comincia mediante il loro allineamento: i caratteri delle differenti sequenze che condividono antenati comuni vengono combinati mentre i guadagni o le perdite di caratteri vengono marcati. Sebbene questa procedura sia computerizzata, numerosi allineamenti multipli sono spesso costruiti progressivamente da diversi allineamenti a coppie. È tuttavia impossibile giudicare se una differenza di lunghezza tra due sequenze sia dovuta ad una cancellatura in una o ad un’inserzione nell'altra. Per avere un corretto allineamento di sequenze multiple, distinguere tra questi due eventi è cruciale. I metodi esistenti, che non riescono a fare ciò, non consentono di comprendere il corso dell'evoluzione.

"Il nostro nuovo metodo", dice Ari Löytynoja, che ha sviluppato il programma, "tiene conto di ciò che già sappiamo sulle relazioni evoluzionarie. Se ad esempio volessimo comparare il DNA dell'uomo con quello dello scimpanzé, il programma andrà a consultare automaticamente le sequenze corrispondenti in specie simili come gorilla o macaco".

I risultati ottenuti con questo metodo suggeriscono che le inserzioni sono molto comuni, mentre la frequenza delle cancellature sembrerebbe essere stata sovrastimata dai metodi tradizionali.

L'obiettivo della biologia molecolare sta dunque spostandosi nel tentativo di comprendere i cambiamenti genomici funzionali mediante nuovi metodi specificatamente progettati per considerare le sequenze in una prospettiva storica.

Uno studio condotto da Andrew Bass della Cornell University mostra come tutte le diverse abilità dei vertebrati nella produzione di suono derivino da quella originaria di pesci (i risultati sono stati pubblicati su Science).

Il team di scienziati ha mappato lo sviluppo delle cellule neurali di larve di un pesce"cadetto" e le ha comparate a quelle di altre specie, scoprendo che il cinguettio degli uccelli, l'abbaio del cane e altri suoni prodotti dalla bocca di animali sono prodotti di circuiti neurali risalenti a centinaia di milioni di anni fa, connessi ai versi emessi dai pesci.

"Condividiamo con i pesci le stesse parti di cervello", dice Bass.

Lo studio ha tracciato lo sviluppo della connessione tra i muscoli vocali del pesce cadetto e un ammasso di neuroni localizzato in un compartimento posto tra la parte posteriore del suo cervello e quella anteriore della sua spina dorsale. Che è la stessa in molti vertebrati complessi, inclusi gli umani, con simili funzioni. Il ché indica che durante il corso dell'evoluzione ha superato tutti i test della selezione naturale.

Il maschio del pesce studiato da Bass e colleghi, per attirare le femmine produce un suono ronzante, simile ad una lontana sirena nel vento, contraendo la sua vescica natatoria, l'organo deposto al galleggiamento.

Durante la stagione degli accoppiamenti, gli abitanti case-barche nella Baia di San Francisco, possono sentir vibrare le proprie case per via del ronzio prodotto dai maschi che suona come un motore subacqueo.

Un team di ricercatori della University of Texas di Austin, guidato dai Dottori Matthew Cowperthwaite e Lauren Ancel Meyers, ha sviluppato una nuova teoria secondo cui la selezione naturale non sempre agisce per migliorare la specie.

Il materiale su cui agisce la selezione naturale è fornito dalle mutazioni genetiche: le mutazioni che rendono un organismo più adatto all'ambiente in cui si trova tendono a persistere attraverso le generazioni successive, mentre le mutazioni dannose tendono ad estinguersi insieme agli organismi che le possiedono. Le conseguenze sul lungo temine delle mutazioni, tuttavia, non sono ancora ben conosciute dai biologi evoluzionari.

Il team ha sviluppato dei modelli al computer di molecole di RNA che evolvono per mutazione e selezione. Tali molecole, molto simili a quelle di DNA, giocano dei ruoli chiave nei processi vitali essenziali e servono come materiale genetico per alcuni dei virus più letali, come l'influenza e l'HIV.

I modelli computerizzati hanno mostrato che l'evoluzione di organismi ottimali spesso richiede una lunga sequenza di mutazioni interagenti, dovute al caso e alla selezione naturale. "Certi tratti evolvono facilmente da molte differenti combinazioni di mutazioni" - spiega Cowperthwaite - altri invece sono il risultato di ricette genetiche più improbabili. L'evoluzione favorisce le combinazioni più facili che non sempre corrispondono alle migliori".

(art. di rif.: Cowperthwaite et al., "The Ascent of the Abundant: How Mutational Networks Constrain Evolution". PLoS Computational Biology, 2008)

È tempo di aggiornare la "modern synthesis" (sintesi moderna), chiamata anche "neodarwinismo", cominciata a partire dagli anni Trenta fino agli anni Cinquanta dello scorso secolo, quando i primi geneticisti, paleontologi e altri cominciarono a mettere in discussione l'idea di Darwin che l'evoluzione sia guidata principalmente dalla selezione naturale.

La sintesi di varie discipline collegate all'evoluzionismo, come la genetica, la paleontologia, a cui più recentemente si sono aggiunte la biologia molecolare, la genomica, la bioinformatica, la proteomica, la biologia sistemica, sostiene che le mutazioni genetiche creano nuove varianti di geni esistenti in una specie e che la selezione naturale, guidata dalla competizione per l'accaparramento delle risorse, consente agli individui meglio adattati di sopravvivere e riprodursi, rendendo le variazioni genetiche adattive più comuni, eliminando le altre.

Diversi studi analitici hanno mostrato come la selezione possa produrre un occhio complesso da una semplice macchia oculare in poche centinaia di migliaia di anni. Qualcuno ha proposto che siano le mutazioni piuttosto che la selezione a guidare l'evoluzione, o comunque i principali eventi di innovazione, come sd esempio l'origine dei maggiori gruppi animali inclusi i vertebrati.

Gli studi comparativi dello sviluppo hanno mostrato come operano i geni, come evolvono, e questo ha spostato l'enfasi dalla graduale accumulazione di piccoli cambiamenti genetici ai meccanismi che guidano la regolazione genetica. L'ecologia dello sviluppo ha enfatizzato il ruolo che gli organismi giocano nel costruirsi i propri ambienti, mentre gli studi sui fossili hanno aperto nuovi interrogativi sul ruolo della competizione. Una delle maggiori sfide alla sintesi moderna è venuta tra gli anni '70 e '80 da alcuni paleontologi, tra cui Stephen Jay Gould, che ha fornito uno sguardo gerarchico dell'evoluzione, con una selezione che agisce a più livelli, anche tra specie diverse.

Il tallone di Achille della sintesi moderna, secondo il filosofo Ron Amundson, è che essa considera primariamente la trasmissione di geni da una generazione all'altra, ma non come i geni producono i corpi. Alcune recenti scoperte nel nuovo campo della biologia evoluzionaria dello sviluppo ("evo-devo"), ad esempio che il gene "Pax-6" controlla la formazione degli occhi nei topi e negli umani, che il gene "Nkx2.5" controlla la formazione del cuore, e che diversi altri geni quella del sistema nervoso, ha spinto ad investigare i meccanismi genetici e dello sviluppo in relazione all'evoluzione della forma. Attualmente, una delle aree considerate più eccitanti nello studio dell'evoluzione è l'esplorazione di come sia possibile modificare i geni per produrre differenti appendici artropode.

Edoardo Boncinelli, fisico e biologo, docente all'Università Vita-Salute San Raffaele di Milano, dice: «Negli ultimi vent'anni abbiamo fatto immensi progressi nello studio della biologia dello sviluppo. Tutti gli organismi nascono da un pugno di cellule dette totipotenti, ovvero in grado di dare vita a tutto il resto del corpo. Ma abbiamo scoperto che i geni importanti, così come i meccanismi dello sviluppo, sono gli stessi in forme di vita molto differenti".

Sean B. Caroll, autore di "Endless Forms Most Beautiful The New Science of Evo Devo and the Making of the Animal" (in it. "Infinite Forme Bellissime. La Nuova Scienza dell'Evo-Devo"), ha mostrato come le diversissime appendici degli artropodi (crostacei, insetti, aracnidi ecc...) - siano esse zampe, chele o pedipalpi - abbiano tutte un'origine comune. «Sappiamo adesso che la maggior parte degli organismi sono costruiti utilizzando lo stesso set di istruzioni e che singoli geni controllano la formazione di vari organi in differenti animali. Il successo di questi organismi si deve a strutture ridondanti e multi-funzione. In pratica, una volta che un componente è stato 'inventato', viene riutilizzato in ogni modo, secondo un'ottica di risparmio delle risorse. Per esempio, le ali degli insetti sono generate dallo stesso set di geni che sottendono allo sviluppo delle branchie. Lo stesso codice da vita a strutture simili ma di impiego differente, grazie ai processi di regolazione del gene, che intervengono solo a un certo punto dello sviluppo embrionale».

Scopo dell'evo-devo è individuare i singoli geni deputati allo sviluppo di tutte le parti degli organismi. «Si definisce quindi un approccio innovativo - dice Caroll - in grado di comprendere l'evoluzione al livello più fondamentale di geni ed embrioni. L'evoluzione non è più vista solo come il cambiamento nel tempo di genotipi e fenotipi, attraverso mutazione, incrocio e selezione naturale, ma anche come organizzazione nel tempo dei processi che regolano lo sviluppo, dall'embrione alla forma adulta».

Evoluzione sistemica

Evoluzione sistemica 2

L'occhio di Darwin

Microcosmo

Alieni Umani

The Protein Grid

Il micro-albero della vita

Il genoma mancante

Mutazioni causali

The original mix

Il dna è mobile

Regolazione genetica

Il secolo del gene

Metagenomica

Progetto 1000 genomi

Creazione senza Dio



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