Scavando tra i dati disponibili in banca dati possiamo capire come si è evoluto il genoma eucariotico: più conferme che sorprese, parola di Nature

MANDRIOLI, Mauro

Scavando tra i dati disponibili in banca dati possiamo capire come si è evoluto il genoma eucariotico: più conferme che sorprese, parola di Nature

Archivio istituzionale della ricerca - Università di Modena e Reggio Emilia

8/5/2017 L’evoluzione del genoma eucariotico: studiare l’evoluzione con i “big data” | Pikaiahttp://pikaia.eu/levoluzione­del­genoma­eucariotico­studiare­levoluzione­con­i­big­data/ 1/2Scavando tra i dati disponibili in banca datipossiamo capire come si è evoluto il genomaeucariotico: più conferme che sorprese, paroladi Nature!8 settembre 2015  Mauro Mandrioli L’evoluzione del genoma eucariotico: studiarel’evoluzione con i “big data”Nel corso degli ultimi dieci anni un crescente numerodi ricercatori ha suggerito la possibilità di untrasferimento orizzontale di DNA, inteso come iltrasferimento di frammenti di DNA tra individui dispecie diverse. La precisa entità di questo processo èstata oggetto di numerosi studi nei procarioti, in cui siè dimostrato che il trasferimento orizzontale è laprincipale modalità in cui sono acquisiti geni nuovinei batteri (Pikaia ne ha parlato qui). Cosaaccade invece negli eucarioti?  La risposta non è semplice, perché sino adoggi la reale portata del trasferimentoorizzontale non è mai stata analizzata inmodo mirato negli eucarioti, ma ci si è perlo più focalizzati su casi specifici. Unesempio sono gli afidi (insetti molto spessochiamati in modo improprio pidocchi dellepiante) che producono carotenoidi grazie ageni acquisiti da un fungo (Pikaia ne ha parlato qui).  Gli eucarioti hanno sicuramente acquisito geni da altre specie (in particolare da procarioti), ma questo nonsignifica che in tutti i viventi il trasferimento orizzontale abbia avuto un peso analogo. Ad esempio vi sonodiverse evidenze che suggeriscono che dopo la divergenza di batteri, Archea ed eucarioti, il genoma siadivenuto più refrattario al trasferimento orizzontale. Il passaggio alla multicellularità avrebbe ulteriormentelimitato il peso del trasferimento orizzontale, poiché per essere efficace tale spostamento di geni deve esserediretto non verso le cellule somatiche, ma verso quelle germinali; solo in questo modo infatti il DNAtrasferito può divenire parte stabile del patrimonio genetico di una specie. La separazione tra cellulesomatiche e germinali rappresenta quindi un passaggio chiave assimilabile ad una sorta di confine che puòessere difficilmente valicato dal trasferimento orizzontale.   Come fare quindi per avere una stima precisa di cosa è accaduto al genoma eucariotico? Secondo il gruppo diricerca coordinato da William Martin l’idea di base è semplice: se il trasferimento di geni da procarioti aeucarioti è un processo continuo, dall’analisi dei genomi eucariotici dovrebbe emergere un accumuloprogressivo di geni procariotici. Avvalendosi quindi di analisi comparative sui dati già disponibili inletteratura si potrebbe capire quando determinati geni sono stati per la prima volta trasferiti verso il genomaeucariotico, da dove (nel senso di quale specie) sono stati trasferiti e quanto un dato gene “trasferito” ècomune negli eucarioti. Sembra semplice!  Come pubblicato sulla rivista scientifica internazionale Nature, il “passaggio alla pratica” non è stato cosìimmediato, tanto che per dare una risposta gli autori hanno analizzato oltre 900.000 proteine codificate da 55genomi eucariotici differenti confrontandole con oltre 6 milioni di sequenze procariotiche. In questo casoquindi l’evoluzione è stata studiata non più su scala genetica, ma su scala genomica avvalendosi dell’enormemole di dati (possiamo indubbiamente parlare di big data) derivante dai numerosi progetti genoma in corso ogià completati.  Questo confronto ha permesso di evidenziare che l’acquisizione (tramite simbiosi) dei cloroplasti ha portato8/5/2017 L’evoluzione del genoma eucariotico: studiare l’evoluzione con i “big data” | Pikaiahttp://pikaia.eu/levoluzione­del­genoma­eucariotico­studiare­levoluzione­con­i­big­data/ 2/2Biologia molecolareal trasferimento di un ampio set di geni oggi presenti negli eucarioti in grado di attuare la fotosintesi. Questigeni sono “arrivati” dai cianobatteri, da cui i cloroplasti sono derivati secondo quanto ipotizzato dalla teoriasimbiotica di origine dei cloroplasti (un cui riassunto è presente qui).  Un ulteriore supporto alla teoria simbiotica è legato all’origine dei mitocondri, evento ancora oggi evidente alivello dei genomi eucariotici, dove si identifica un ampio gruppo di geni condivisi con alfa­proteobatteri,anche se i geni acquisiti in questo caso sono distinguibili in modo meno netto rispetto a quanto accaduto per icloroplasti. Questo risultato deriva dal fatto che i geni derivanti dai genomi mitocondriali ancestrali vanno inparte a sovrapporsi ad un ampio set di geni “procariotici” acquisiti molto presto nel corso dell’evoluzionedegli eucarioti, tanto da essere presenti in pressoché tutti gli eucarioti.  Secondo i dati di Martin quindi non è vi dubbio che l’acquisizione di mitocondri e cloroplasti abbiarappresentato un momento importante anche di trasferimento di geni verso il genoma eucariotico. Nelcomplesso però il 75% dei geni procariotici presenti nei genomi eucariotici risulta essere presente in moltieucarioti (oltre che avere sequenze molto simili tra i diversi eucarioti) tanto da essere ricondotto a singoli esporadici eventi di acquisizione. Solo il restante 25% sembra essere invece il frutto di singole acquisizioniindipendenti.  A quanto pare quindi il contributo del trasferimento orizzontale al genoma eucariotico nucleare è stato dinotevole importanza al momento dell’acquisizione di mitocondri e dei cloroplasti (e dei relativi genomi),ma, contrariamente a quanto suggerito da alcuni ricercatori, l’acquisizione di altri geni tramite trasferimentoorizzontale è stata per lo più sporadica e non ha contribuito in modo sostanziale all’evoluzione del genomaeucariotico.  Ciò che noi troviamo quindi nel genoma eucariotico è primariamente il risultato di trasferimenti verticali diDNA da genitori a figli, con alcuni (rari!) trasferimenti di geni da procarioti, ovviamente con l’eccezione delcontributo rilevantissimo dell’endosimbiosi che ha portato all’acquisizione prima dei mitocondri e poi deicloroplasti. Come già suggerito negli anni ’70, negli eucariotici la principale via con cui compaiono nuovigeni rimane la duplicazione.. ovviamente sino a prova contraria.   Riferimento bibliografico Ku C, Sathi SN, Roettger M, Sousa FL, Lockhart PJ, Bryant D, Hazkani C, McInerney JO, Landan G, MarinWF (2015) Endosymbiotic origin and differential loss of eukaryotic genes. Nature 524: 427­431.Condividi:tag: evoluzione del genoma, genoma, trasferimento orizzontale157 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L’evoluzione del genoma eucariotico: studiare l’evoluzione con i “big data”

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