Dip. Scienze Biomolecolari e Biotecnologie Bioinformatica Giulio Pavesi Dip. Scienze Biomolecolari e Biotecnologie Università di Milano giulio.pavesi@unimi.it

L’evoluzione al lavoro Piccola scala: mutazioni, inserzioni, delezioni di singoli nucleotidi MA: non tutte le sostituzioni sono “uguali” (come abbiamo visto..) MA: inserire o cancellare singoli nucleotidi può avere effetti catastrofici - se in una regione codificante (causa “frameshift”) MA: è abbastanza difficile immaginare che – a partire da semplici genomi antenati di poche centinaia di migliaia di bp – siano “apparsi” genomi di miliardi di bp come quelli animali o delle piante

L’evoluzione al lavoro Media scala Cambiamenti nella struttura di un gene: comparsa/scomparsa di introni (intron gain-loss) o esoni “Fusioni” di geni (e delle rispettive proteine codificate), o viceversa, divisione di geni in geni più piccoli (esempio: insulina “INS” dell’uomo) Larga scala (I) Riarrangiamenti della sequenza genomica: una o più regioni cambiano di posto

L’evoluzione al lavoro Larga scala (II) duplicazioni: Si possono duplicare INTERE regioni genomiche: in questo modo, dopo la duplicazione, i geni contenuti nella regione saranno in due copie all’interno della sequenza genomica (guardate la traccia “self-chain” dell’UCSC) MA: se ho due copie, allora posso modificarne una, e anche se faccio “danni” una copia funzionante rimane sempre! Questa è l’origine dei geni che si “assomigliano” nella stessa specie - discendono da duplicazioni della regione contenente il gene originale Permettono anche “specializzazioni” delle diverse copie dei geni

L’evoluzione al lavoro Eventi “epici” Duplicazioni di INTERI GENOMI Questo fenomeno è posto da alcuni alla base della comparsa degli eucarioti (lievito =batterio x 2) Tipico delle piante: ad esempio, il genoma del riso porta tracce evidenti di 2 duplicazioni (quattro copie in tutto!) del genoma di una pianta antenata NOTA: le piante hanno più copie dei geni, e usano meno gli splicing alternativi

L’evoluzione al lavoro Mutazioni (di singoli nucleotidi, spesso) Inserzioni o cancellazioni di più nucleotidi Eventi su larga scala: riarrangiamenti, duplicazioni inserzioni, cancellazioni di ampie regioni Eventi “epici”: duplicazioni di interi genomi

L’evoluzione al lavoro Oggi milioni di anni fa HH Drosophila SHH DHH uomo IHH HH L’antenato comune uomo topo ha già tre geni della famiglia “HH”. L’antenato comune mammiferi/insetti ne ha solo uno. Quindi, i tre geni HH dei mammiferi sono frutto di due duplicazioni successive alla speciazione mammiferi/insetti Duplicazione SHH DHH topo IHH Duplicazione Ad ogni duplicazione compare un nuovo “HH” Speciazione uomo/topo

I geni omologhi A questo punto, si può ipotizzare che i vari geni “simili” tra loro che troviamo nelle diverse specie, lo siano perché “parenti”, ovvero discendenti dallo stesso/i gene/i in specie antenate (speciazione) o nella stessa specie (duplicazione) Due sequenze (sia DNA, sia RNA, sia proteine) per cui possiamo fare questa ipotesi – basandoci sulla loro similarità – ovvero che discendono da una sequenza antenata comune sono dette sequenze omologhe Quindi l’SHH dell’uomo è omologo dell’SHH di topo e dell’HH della Drosophila (speciazione) Ma anche l’IHH dell’uomo è omologo di SHH dell’uomo, in quanto duplicati dello stesso gene di partenza (duplicazione)

Omologhi: ortologhi e paraloghi Per complicare un po’ la nomenclatura: due sequenze omologhe sono dette Ortologhe, se sono in specie diverse Paraloghe, se sono nella stessa specie Esempio: SHH topo è ortologo a SHH dell’uomo; DHH uomo è ortologo a DHH del topo e paralogo a IHH e SHH dell’uomo e così via Sulla base della similarità riusciamo anche a ipotizzare se si sia verificata prima una duplicazione o una speciazione Attenzione: si annota per un gene un SOLO ortologo nelle altre specie, quello più simile a livello di sequenza

Omologia, ortologia, paralogia Omologia, ortologia e paralogia non sono quantificabili! NON si dice che due sequenze sono più (o meno) omologhe di altre: O lo sono O NON lo sono (proprietà sì o no!) Si può dire, due sequenze possono essere più o meno simili Sulla base della similarità, ipotizzo legami evolutivi

I geni dell’uomo e di altre specie Per la quasi totalità dei geni dell’uomo si trova un ortologo negli altri mammiferi (inclusi quelli tessuto-specifici, che “caratterizzano” particolari tipi di cellula) Per la quasi totalità dei geni dell’uomo si trovano ortologhi in altri vertebrati (ci possono essere più o meno duplicati nelle diverse specie) Per buona parte dei geni dell’uomo si trovano ortologhi in altre specie animali (inclusi, ad esempio, gli invertebrati come gli insetti) Per i geni “di base” responsabili del “funzionamento” delle diverse cellule si riescono a trovare ortologhi negli eucarioti più semplici (unicellulari come il lievito), o addirittura nei procarioti come i batteri

Sintenia Ma: se geni omologhi derivano da speciazione o duplicazione, allora mi aspetto che un “gruppo” di geni vicini in una regione siano ortologhi di geni che stanno vicini in un’altra regione o in un altro genoma In effetti, questa proprietà è facilmente osservabile, ed è detta “sintenia” Due regioni sono dette “sinteniche” se contengono “gli stessi geni” - o meglio “geni omologhi” disposti nello stesso ordine (inframmezzati da regioni non conservate)

Sintenia

Sintenia (vs topo)

Sintenia (vs pollo)

Sintenia (vs scimpanzé)

... ma allora? Se uomo e mammiferi hanno “gli stessi geni”, perché ogni mammifero è differente dagli altri? .. la proteina codificata è “conservata” dall’evoluzione, ma sono meno conservate (vedi a sx): La regolazione dell’espressione (trascrizione / traduzione) Gli splicing alternativi Morale: ciò che fa la differenza non è quanti sono i geni, quanto COME ciascuna specie (o, volendo, anche ciascun individuo) UTILIZZA i suoi geni

Usare i geni ortologhi Oltre che per studi evolutivi, l’ortologia di geni in specie diverse può servire anche allo studio di uno o più geni Se non conosco la funzione di un gene umano, posso cercarne l’ortologo in topo e studiarlo lì (più “pratico” sperimentalmente) Annotazione: se ho un gene “mancante” in una specie, posso cercare di localizzarlo basandomi su geni di altre specie Ovvero, posso cercare di annotare un gene in mancanza di “indizi” (trascritto e/o proteina) basandomi sulle sequenze di altre specie  se c’è una data proteina in topo mi posso aspettare che – da qualche parte – nel genoma dell’uomo ci sia un gene che codifica per qualcosa di simile

Usare i geni ortologhi Quando ci si è ritrovati davanti al gene SHH per la prima volta, quello che si è potuto osservare era che era omologo (ortologo) del gene HH di Drosophila In effetti, SHH sta per “Sonic - Hedgehog - Homolog” Anche DHH e IHH sono omologhi di HH, uno è “desert” l’altro è “indian”

Usare i geni ortologhi La Drosophila (poveraccia) è sempre stata l’animale “modello” per gli studi di genetica Tipico: se mutiamo/eliminiamo un gene, che cosa succede alla Drosophila? I nomi di molti geni di Drosophila (soprattutto, quelli coinvolti nello sviluppo dell’embrione) derivano dagli effetti della loro scomparsa/mutazione

Sintenia Ma: se geni omologhi derivano da speciazione o duplicazione, allora mi aspetto che un “gruppo” di geni vicini in una regione siano ortologhi di geni che stanno vicini in un’altra regione o in un altro genoma In effetti, questa proprietà è facilmente osservabile, ed è detta “sintenia” Due regioni sono dette “sinteniche” se contengono “gli stessi geni” - o meglio “geni omologhi” disposti nello stesso ordine (inframmezzati da regioni non conservate)

Sintenia

Sintenia (vs topo)

Sintenia (vs pollo)

Sintenia (vs scimpanzé)