BIOLOGIA EVOLUTIVA DELLO SVILUPPO

Un esempio: le zampe anteriori del tirannosauro Sono di dimensioni ridotte in modo abnorme rispetto al resto del corpo. Perché? “Come Tirannosaurus usasse le zampe anteriori è un problema. Erano troppo corte persino per raggiungere la bocca. Forse erano usate dall’animale per alzarsi da una posizione distesa.”(Museo Boston)

Evolutionary Developmental Biology EVO-DEVO Evolutionary Developmental Biology Alcuni dati osservativi: - Tra uomo e scimpanzè 99% del DNA in comune - quasi 90% del DNA in comune con il topo 1915: scoperta della mutazione bithorax

Questa mutazione, come la mutazione antennapedia, sono mutazioni a carico di un singolo gene: Un gene OMEOTICO I geni omeotici (o geni HOX) sono pochi in un organismo e regolano lo sviluppo dell'individuo Le proteine codificate dai geni omeotici hanno tutte un dominio in comune di 68 a.a. che corisponde alle prime 180 pb della sequenza, il cosiddetto HOMEOBOX

Evolutionary Developmental Biology EVO-DEVO Evolutionary Developmental Biology Tutti gli organismi possiedono un “kit per gli attrezzi”, con geni “master” che governano la formazione e l'organizzazione dei corpi e di parti dl corpo La diversità tra organismi non è nel kit, ma dipende da attivazione e/o inibizione dei geni del kit Ma dove si trovano gli “inneschi”per modificare il kit? Probabilmente in quello che abbiamo sempre chiamato “DNA spazzatura”

Evolutionary Developmental Biology EVO-DEVO Evolutionary Developmental Biology In tal modo... … Si spiega come piccole differenze nel DNA diano luogo a differenze macroscopiche nel fenotipo (bastano, infatti, poche differenze rispetto ai geni Hox) In effetti, se cambia un gene master uno stesso gene può dare risultati diversi in organismi diversi … Si suffraga l'ipotesi degli equilibri punteggiati (non servono tempi geologici standard per determinare differenze ampie tra popolazioni) Quindi si risolve il problema delle “forme intermedie” perché con una sola mutazione, la mano di un mammifero diventa ala di pipistrello, per esempio

Evolutionary Developmental Biology EVO-DEVO Evolutionary Developmental Biology I geni Hox, di fatto, sono dei “geni regolatori” che codificano per FATTORI DI TRASCRIZIONE che attivano o inibiscono la trascrizione di un gene

Evolutionary Developmental Biology EVO-DEVO Evolutionary Developmental Biology Proseguiamo l'analisi dei geni Hox in drosophila:

Evolutionary Developmental Biology EVO-DEVO Evolutionary Developmental Biology I geni Hox sono disposti in cluster (raggruppati) e distribuiti, inoltre, nello stesso ordine rispetto alle parti del corpo di cui regolano lo sviluppo Gli stessi geni Hox, inoltre, si trovano in molti animali diversi (tutti?), compreso l'uomo! Si è scoperta una dozzina di famiglie di OMEODOMINI, leggermente diverse l'una dall'altra (perché si legano a parti diverse di DNA)

Si è trovato che in Drosophila agiscono dapprima dei geni battezzati gap, cioè intervallo, perché la loro mutazione provoca la mancanza di un'intera parte del corpo (per es., la testa o l'addome); si conclude che essi siano i responsabili della formazione di queste grandi parti del corpo (come dimostrato anche da altri esperimenti, quali, per es., la microiniezione dei loro prodotti nell'uovo). All'azione dei geni gap segue quella dei cosiddetti pair rule (geni di modulo pari), perché la loro mutazione causa difetti in segmenti alterni della larva. Segue ancora l'azione dei geni detti segment polarity, che specificano qual è la parte anteriore e quale la posteriore di ciascun segmento. Infine entrano in azione i geni omeotici, così chiamati perché la loro mutazione causa la trasformazione di una parte del corpo in un'altra che era in origine omologa, ma che è diventata diversa nell'evoluzione: per es., l'animale forma zampe al posto di antenne sulla testa

Evolutionary Developmental Biology EVO-DEVO Evolutionary Developmental Biology I geni Hox, in tutti gli animali, sono disposti in cluster e ordinati come sono ordinate le parti del corpo che regolano. MA COME SI E' SCOPERTA L'ESISTENZA DEL KIT DEGLI ATTREZZI?

Evolutionary Developmental Biology EVO-DEVO Evolutionary Developmental Biology Proviamo a chiederci: quante volte l'evoluzione ha “inventato” l'occhio? Il gene che regola l'occhio in drosophila si chiama Eyless. Nel topo esiste un gene (Small eye) responsabile dell'assenza o della riduzione dell'occhio. Nell'uomo il gene Aniridia provoca la riduzione o l'assenza dell'iride

Evolutionary Developmental Biology EVO-DEVO Evolutionary Developmental Biology Vediamo ora alcuni dati sperimentali: 1) quando si inserisce il gene eyless in un'altra parte del corpo di drosophila, questa parte esprime un occhio (per esempio su una zampa o sull'addome) 2) quando si inserisce il gene small eye in drosophila, si forma un occhio laddove il gene è stato inserito, ma…. … Un occhio di drosophila!

Evolutionary Developmental Biology EVO-DEVO Evolutionary Developmental Biology

Evolutionary Developmental Biology EVO-DEVO Evolutionary Developmental Biology Cosa significa tutto ciò? Il gene in questione, ora, ha il nome meno romantico di Pax-6, ma sappiamo che è lo stesso per ogni tipo di occhio animale. Anche Pax-6 codifica per proteine con omeodominio, che quindi sono fatte per legarsi al DNA (repressori o attivatori) Qual è, dunque, la risposta alla domanda iniziale? 1

Evolutionary Developmental Biology EVO-DEVO Evolutionary Developmental Biology Riassumendo, nel Kit degli Attrezzi ci sono: Geni regolatori per fattori di trascrizione Geni per proteine delle vie di traduzione del segnale (comunicazione tra cellule)1 1) Man mano che i tessuti crescono, lo scambio di segnali tra cellule agisce sull'organizzazione a livello locale delle strutture in via di sviluppo

Evolutionary Developmental Biology EVO-DEVO Evolutionary Developmental Biology Come fanno le cellule a sapere la propria posizione e identità? I geni del KdA entrano in azione un po' alla volta e progressivamente sono determinati da e determinano l'azione di altri geni del Kit Leggi da S. B. Carroll “infinite forme bellissime” p 106 Queste istruzioni si trovano nel “DNA oscuro” sotto forma di interruttori genetici – l'anatomia dei corpi è codificata e ricostruita pezzo per pezzo, striscia dopo striscia da costellazioni di interruttori distribuiti in tutto il genoma Sono questi che permettono di costruire animali diversi utilizzando più o meno lo stesso Kit degli Attrezzi

Evolutionary Developmental Biology EVO-DEVO Evolutionary Developmental Biology Gli interruttori genetici sono, dunque, a monte dei geni omeotici Non sono geni veri e propri (non codificano per proteine), sono sequenze che svolgono una funzione di regolazione1. Ricorda: Un gene può essere attivato da interruttori distinti in diverse aree del corpo dando luogo a tessuti, organi diversi Un gene è controllato da diversi interruttori per calibrarne l'espressione 1)Nell'uomo, costituiscono il 2-3% circa della “materia oscura” mentre la maggior parte di questa non contiene alcuna informazione, ma è solo “spazzatura” accumulata nel corso dell'evoluzione

Evolutionary Developmental Biology EVO-DEVO Evolutionary Developmental Biology Come procede, quindi, l'evoluzione? È un processo che si fonda almeno su due distinte pulsioni: Il ruolo dell'ambiente come artefice della selezione naturale I cambiamenti a livello degli interruttori genetici, che con piccole mutazioni generano effetti macroscopici

conclusioni “Sono convinto che la selezione sia stata il mezzo principale, ma non esclusivo, del cambiamento” (Darwin, 1872) “non ho mai affermato che l’evoluzione della specie dipenda solamente dalla selezione naturale”(Darwin, 1880) Le costrizioni del progetto architettonico sono altrettanto interessanti da studiare quanto lo siano le forze della selezione che possono mediare il cambiamento quando questo avviene.