I cambiamenti della sequenza del DNA: Evoluzione

La sequenza del DNA può cambiare, ma gli effetti di ciò non sono sempre negativi.

I processi evolutivi sono caratterizzati dalla selezione di mutazioni casuali della sequenza degli acidi nucleici che conferiscono alle specie nuove caratteristiche favorevoli alle condizioni ambientali. Durante il corso dell’evoluzione uno dei fattori più importanti è stato la possibilità di produrre nuove proteine da quelle già esistenti. Ma come sviluppare rapidamente nuove proteine?

Mutazioni puntiformi Wild type M L K F K Y G V L N ATG TTG AAG TTC AAG TAT GGT GTG CTG AAC Missense M L K F K F G V R N ATG TTG AAG TTC AAG TTT GGT GTG CGG AAC Non sense M L K F K - ATG TTG AAG TTC AAG TAG GGT GTG CTG AAC Frame-shift M L K F K Y K V C - ATG TTG AAG TTC AAG TAT AAG GTG TGC TGA

Perdita di funzione competa (effetto null) Effetto delle mutazioni puntiformi sulle proteine Perdita di funzione competa (effetto null) Mutazioni costitutivamente attive Esempio: Ras Mutazioni dominanti negative Esempio: p53 Acquisizione di nuove funzioni (gain of function)

I grossi rimaneggiamenti del genoma, come le duplicazioni, le inserzioni, le inversioni e le delezioni possono determinare cambiamenti molto più rapidi e radicali nella struttura dei geni. Oltre a ciò, possono determinare profondi cambiamenti nelle modalità con cui i geni si esprimono.

Duplicazione di segmenti cromosomici o di interi cromosomi La duplicazione di tratti più o meno estesi del genoma costituisce un meccanismo evolutivo fondamentale, in quanto consente, nello stesso tempo, di mantenere i geni che hanno avuto successo, e di sviluppare nuove funzioni a partire da questi. Duplicazione di segmenti cromosomici o di interi cromosomi Il progetto genoma ha evidenziato che questi fenomeni sono più frequenti ed estesi di quanto si pensasse Duplicazione genica Duplicazione genomica Molte specie (in particolare piante e anfibi) hanno un genoma poliploide

I meccanismi di duplicazione e diversificazione consentono di generare facilmente nuove varianti di una proteina

Superfamiglia delle immunoglobuline I meccanismi di duplicazione e diversificazione consentono di generare facilmente nuove proteine Superfamiglia delle immunoglobuline

Un altro fattore che favorisce enormemente l’evoluzione degli organismi è che, dal punto di vista funzionale, i geni e i loro prodotti sono organizzati sotto forma di networks, in cui le funzioni fondamentali sono protette dalla ridondanza. Anche se apparentemente sembra uno spreco di risorse, la ridondanza aumenta la robustezza dei sistemi. La ridondanza è favorita dai fenomeni di duplicazione genica.

Interi moduli funzionali possono essere duplicati e funzionalmente diversificati in modo da svolgere funzioni estremamente specializzate. Importanza degli organismi modello geneticamente trattabili. EGF EGF-R Grb2

L’organizzazione del genoma in esoni ed introni è una caratteristica molto antica, che ende molto più dinamica l’evoluzione dei genomi

L’organizzazione del genoma in esoni ed introni rende molto più semplice l’evoluzione di nuove proteine in seguito a ricombinazione del DNA. Infatti i moduli funzionali di cui sono costituite le proteine si trovano su singoli esoni o su blocchi di esoni, e questo ha consentito un notevolissimo ‘rimenscolamento’ di questi domini durante l’evoluzione

L’organizzazione del genoma in esoni ed introni rende molto più semplice la produzione di varianti di una proteina a partire dalla stessa unità trascrizionale

L’organizzazione del genoma in esoni ed introni rende molto più semplice la produzione di varianti di una proteina a partire dalla stessa unità trascrizionale

I trasposoni sono elementi mobili che si trovano nel genoma di tutti gli organismi. Sono in grado, con meccanismi diversi, di saltare da un punto all’altro del genoma. Questi salti possono determinare drastici cambiamenti nella struttura e nelle modalità di espressione dei geni. Sotto certi aspetti possono essere considerati come elementi parassitari, e ineffetti alcuni di essi sono imparentati con particolari famiglie di virus. Tuttavia rappresentano un formidabile fattore positivo per i processi evolutivi. Non a caso circa il 45% del genoma umano e costituito da residui di trasposoni.

Trasposoni che si muovono direttamente Trasposasi IR Escissione Inserzione

Esempi: Elementi Ac e Ds di mais. Trasposone batterico IS10. Alcuni trasposoni sono portatori di mutazioni nel gene che codifica la trasposasi, per cui non si possono muovere autonomamente. IR Trasposasi Autonomi IR Trasposasi mutata Difettivi Esempi: Elementi Ac e Ds di mais. Trasposone batterico IS10.

Trasposoni che si muovono indirettamente (retroposoni) LTR Proteasi Integrasi RT RNAsi-H mRNA cDNA Integrazione Gli pseudogeni che si ritrovano nel genoma umano sono spesso derivati da eventi di retrotrasposizione

Che cosa possono fare i trasposoni saltando nel genoma? Insezione nella sequenza codificante (o nelle sequenze di controllo) con inattivazione totale o parziale del gene. A B C E F ATG * D Trasposone A B C E F D Per questa proprietà, i trasposoni sono molto utilizzati per mutagenizzare e successivamante identificare i geni responsabili di particolari fenotipi. Un organismo che si presta molto bene a questo è Drosophila Melanogaster.

Che cosa possono fare i trasposoni saltando nel genoma? Diversi tipi di mutazione nei punti di inserzione, sia quando si inseriscono che quando si escindono.

Attivazione trascrizionale del gene Che cosa possono fare i trasposoni saltando nel genoma? Attivazione trascrizionale del gene A B C E F ATG * D Retroposone LTR A B C E F D

Produzione di nuove varianti alternative di una proteina Che cosa possono fare i trasposoni saltando nel genoma? Produzione di nuove varianti alternative di una proteina A B C E F D Trasposone Promotore A B C E F D

Produzione di nuove proteine Che cosa possono fare i trasposoni saltando nel genoma? Produzione di nuove proteine

P-element di Drosophila La mobilità dei trasposoni può essere molto pericolosa per le cellule somatiche, ma la sua attività nella linea germinale aumenta le probabilità di avere organismi con nuove caratteristiche, che possono rivelarsi vincenti in rapporto alle condizioni ambientali 1 2 3 4 IR P-element di Drosophila Trasposasi AAAAAAAAA Trascritto primario 1 2 3 4 Cellule somatiche AAAAAAAAA 1 2 3 4 Trasposasi inattiva Cellule germinali AAAAAAAAA 1 2 3 4 Trasposasi attiva

DNA ripetitivo nel genoma umano 1: DNA umano 2: DNA batterico

DNA ripetitivo nel genoma umano Segmenti lunghi fino a 25 kb DNA ripetuto in tandem Satellite Unità da 5 a 200 bp Segmenti lunghi fino a qualche centinaio di chilobasi Minisatelliti Unità da fino a 5 bp Segmenti lunghi fino a 25 kb Digestione Gradiente di densità Microsatelliti Unità > 4bp Segmenti lunghi fino150 5’-CACACACACACA-3’

Geni e sequenze associate Genoma Umano 3000 Mb Geni e sequenze associate 900 Mb DNA extragenico 2100 Mb Codificante 90 Mb Non codificante 810 Mb DNA ripetitivo 420 Mb DNA unico e a basso numero di copie 1680 Mb Pseudogeni Introni Regioni di controllo Ripetuto in tandem Satellite Minisatelliti Microsatelliti Disperso SINE LINE Retroposoni Il DNA spazzatura è veramente tale?