Geni in conflitto - Codice Edizioni · Indice vii Prefazione Capitolo 1 3 Elementi genetici egoisti...

E D I Z I O N I

Austin Burt, Robert Trivers

Geni in conflittoLa biologia degli elementi genetici egoisti

Traduzione di Elisa Faravelli e Allegra Panini

Edizione italiana a cura di Edoardo Boncinelli

Burt-Trivers_i-x.doc:Burt-Trivers_i-x 12-03-2008 15:07 Pagina iii

Austin Burt, Robert TriversGeni in conflitto

La biologia degli elementi genetici egoisti

Progetto grafico: studiofluo srl

Coordinamento produttivo: Progedit & Consulting,Torino

Copyright © 2006 by the President and Fellows of Harvard CollegeAll rights reserved

Printed in the United States of America

Austin Burt, Robert TriversGenes in Conflict

The Biology of Selfish Genetic Elements

© 2008 Codice edizioni, Torino

ISBN 978-88-7578-097-5

Tutti i diritti sono riservati.Per le riproduzioni grafiche e fotografiche appartenenti alla proprietà di terzi

inserite in quest’opera, l’Editore è a disposizione degli aventi diritto,nonché per eventuali non volute omissioni e/o errori di attribuzione

nei riferimenti bibliografici.

Burt-Trivers_i-x.doc:Burt-Trivers_i-x 12-03-2008 15:07 Pagina iv

Indice

vii Prefazione

Capitolo 13 Elementi genetici egoisti

Capitolo 223 Killer autosomici

Capitolo 367 Cromosomi sessuali egoisti

Capitolo 4107 Imprinting genomico

Capitolo 5157 DNA mitocondriale egoista

Capitolo 6201 Conversione genica e homing

Capitolo 7245 Elementi trasponibili

Capitolo 8321 Drive meiotico nella femmina

Capitolo 9345 Cromosomi B

Capitolo 10405 Esclusione genomica

Burt-Trivers_i-x.doc:Burt-Trivers_i-x 12-03-2008 15:07 Pagina v

Capitolo 11447 Linee cellulari egoiste

Capitolo 12475 Riepilogo e direzioni future

507 Bibliografia

583 Glossario

Burt-Trivers_i-x.doc:Burt-Trivers_i-x 12-03-2008 15:07 Pagina vi

Geni in conflitto

Capitolo 12

Riepilogo e direzioni future

In questo libro abbiamo documentato la varietà degli elementi genetici egoistiin considerevole dettaglio, organizzando il materiale per classi distinte. Riesami-niamo ora brevemente la materia per argomenti, in modo da estrapolare alcunedelle tematiche comuni che la animano e che continueranno probabilmente adanimarla in futuro. Per facilità di lettura, ci siamo astenuti dal ripetere qui i rife-rimenti per ciascun fatto o ipotesi citata, ma abbiamo preferito tracciare un per-corso riassuntivo dei principali argomenti.

Nonostante i grandi progressi recentemente compiuti, stiamo, per certi ver-si, appena iniziando a scalfire la superficie della materia degli elementi geneticiegoisti. La nostra analisi rivela un’intera serie di domande generali per le qualigeneralmente disponiamo, nella migliore delle ipotesi, di risposte estremamen-te parziali. Come sono diffusi i vari tipi di elementi egoisti nelle differenti spe-cie e gruppi di specie? Per quale ragione certi elementi egoisti si ritrovano inalcune specie e non in altre? Come è stata la vita evolutiva di una particolareclasse di elementi egoisti (ad esempio, dei cromosomi B) – breve con origini ri-petute, o più lunga con meno origini? Quali sono i principali fattori che con-trollano la diffusione degli elementi genetici egoisti e come operano? Qualinuove forme di drive devono ancora essere descritte? E quali erano le principa-li pressioni selettive quando il genoma fu assemblato per la prima volta – unaquestione avvolta nel mistero? Nondimeno, è utile ricapitolare alcune conclu-sioni e lo faremo per gli elementi genetici egoisti in generale, esaminando:– La loro logica e modalità di azione– La loro genetica molecolare– Le loro interazioni con il sistema di accoppiamento della specie ospite– Il loro destino all’interno delle specie– Il loro trasferimento tra le specie– Il loro ruolo nell’evoluzione della specie ospite

La logica degli elementi genetici egoisti

Sono davvero egoisti gli elementi egoisti? A questa domanda è stata data una ri-sposta definitiva. Il lavoro compiuto su un gran numero di gruppi ha confermatoche gli elementi genetici egoisti sono davvero (con qualche importante eccezio-ne) egoisti. Nonostante i molti sforzi compiuti per trovare benefici al livello del-l’individuo – o, più comunemente, a quello della popolazione o della specie – nes-suna spiegazione generale si è dimostrata efficace. Ad esempio, gli elementi tra-sponibili sono stati descritti come una risposta adattativa a condizioni di stress,come un mezzo per regolare l’espressione genica, e come uno strumento per ri-modellare il genoma; i cromosomi B sono stati descritti come un dispositivo del-l’organismo per generare più alti livelli di ricombinazione nei cromosomi A; el’imprinting genomico è stato descritto come un meccanismo di protezione con-tro partenogenesi o tumori invasivi del trofoblasto o come un reostato di sviluppo(a voi la scelta). Ma poche di queste spiegazioni sono sopravvissute persino alla piùfrettolosa delle ispezioni e nessuna ha retto dinanzi a una considerazione attentadelle testimonianze empiriche. Pare che i geni egoisti evolvano perché beneficia-no se stessi direttamente, al contempo provocando effetti nocivi o (nella miglioredelle ipotesi) nessun effetto su tutti gli altri geni non collegati dell’organismo.

D’altro canto, talvolta gli elementi egoisti sono anche “passati dall’altra par-te”, in altre parole, sono stati cooptati per assolvere a qualche funzione utile allivello dell’organismo, ma la situazione generale che ha condotto a tale evolu-zione è stata poco studiata.

Modalità dell’azione egoista. La grande maggioranza degli elementi egoisti sidiffonde distorcendo la propria trasmissione dal genitore ai figli, trovando qual-che sistema per trasmettersi a più del mendeliano 50% della progenie (Tab. 12.1).Tale distorsione può essere una forza molto potente quando ripetuta di genera-zione in generazione. I tassi di incremento variano nella loro entità da circa il100% per generazione (cromosomi B nella segale, killer di spore nei funghi) a cir-ca il 50% per generazione (drive quasi completo in un sesso, come nel caso di t, diSD e dei cromosomi X e Y distorsori) ad appena 1 su 1000 o 1 su 10 000 (tassicomuni di trasposizione); ma questi ultimi valori sono associati alla colonizzazio-ne di nuovi siti, così che entrambe le copie possono trasporre e non vi è alcunchiaro limite superiore al numero di copie. Come illustrato a grandi linee nelCapitolo 1, le seguenti strategie di base sono state identificate come mezzi perraggiungere il drive: l’interferenza con l’allele rivale, la realizzazione di più di unareplicazione a ogni ciclo cellulare e l’inclusione preferenziale nella linea germi-nale. Vi sono poi i geni egoisti che non distorcono la propria trasmissione, bensì

476 Geni in conflitto

il modo in cui l’organismo ospite si comporta verso gli individui con cui è impa-rentato. Gli esempi migliori sono i geni coinvolti nell’imprinting genomico neimammiferi e (quando interpretata in questo modo) la maschio-sterilità citopla-smatica (CMS) nelle piante.

Genetica molecolare

La grande varietà di elementi genetici egoisti sta emergendo soltanto ora. Permolti di essi, non disponiamo nemmeno di qualche informazione rudimentalesulla loro natura e sul loro modo di operare. Nondimeno, alcune caratteristi-che comuni sono divenute evidenti.

Struttura e dimensioni. La maggioranza degli elementi genetici egoisti codificaper una o più proteine. In certi casi, queste proteine svolgono qualche nuovafunzione. I geni HEG e gli elementi trasponibili codificano per proteine coinvol-te nel metabolismo del DNA – nucleasi, polimerasi, ligasi e trasposasi. L’elemen-to Ab10 del mais codifica in qualche modo per le funzioni dei neocentromeri.In altri casi gli elementi genetici egoisti sembrano semplicemente interferire conle normali funzioni dell’organismo ospite: gametogenesi, differenziazione ses-suale, crescita fetale, e così via. Il modo in cui realizzano tale interferenza è tal-volta riflesso nella struttura molecolare soggiacente. Sd codifica per una proteinatronca dell’ospite che è priva del 40% della sua lunghezza e va pertanto erronea-mente a collocarsi nel nucleo. Lì essa causa il drive degli alleli Rspi, essi stessi ri-sultanti dall’assenza di alcune ripetizioni cromosomiche. Almeno uno degli alle-li distorsori nel complesso t pare consistere in una delezione. Un fatto interes-sante è che il gene Responder dell’aplotipo t (Tcr) è un gene chimerico formatodalla fusione di normali geni dell’ospite, così come tutti i geni CMS sequenziatifinora. Purtroppo non sappiamo ancora come operino queste proteine.

Infine, vi è un insieme selezionato di elementi che non codificano per nes-suna proteina. I nucleotidi G e C possono diffondersi perché sono favoriti dalsistema di riparazione degli errori di appaiamento del DNA, e i riarrangiamenticromosomici possono diffondersi perché riposizionano il centromero e così au-mentano la trasmissione alla meiosi femminile. Questi elementi non codifican-ti hanno ovviamente forme di drive più passive di quelli che codificano per unao più proteine, e non raggiungono lo stesso grado di complessità adattativa.

Tornando agli elementi egoisti codificanti, alcuni di essi codificano per piùdi una proteina, e tutti, o la maggior parte, hanno anche sequenze non codifi-canti essenziali per il loro adeguato funzionamento. Ad esempio, i trasposoni a

Riepilogo e direzioni future 477

478 Geni in conflittoTabella12.1Le

principaliclassidielem

entigeneticiegoistifinorascoperte.

Classe(esempi)

Logica/M

eccanismo

Distribuzione

Killerdigameti(aplotipotneitopi,SD

Inattivaiprodottim

eiotici(gameti,spore)

Animali,funghi,piante

inDrosophila,killerdisporeneifunghi,

acuinon

èstatotrasmesso,accrescendo

SRnellemosche,Dnellezanzare)

cosìilsuccessodiquelliacuiè

statotrasmesso.

Puòtrovarsisugliautosom

iosuicromosom

isessuali;

nelsecondo

casodistorceilrapportotraisessi.

Killeraeffettomaterno

(Medeanei

Agiscenellamadreinmododauccidereifigliacui

Animali;previstim

anon

coleotteri, H

SRescatneitopi)

nonèstatotrasmesso,cosìaccrescendo

ilsuccesso

ancoraosservatinellepiante

diquelliacuiè

statotrasmesso;lasuaazione

può

esserecontrastatadall’allelepaterno.

Fattorigam

etofitici(G

a1nelm

ais)

Agisceinmododainattivareigranulipollinici

Piante

inarrivo

chenoncontengono

unacopiadelgene,

cosìaccrescendoilsuccessodiquelli

chene

recano

unacopia.

Femminilizzantidominanti

Femminilizzagliindividui

XYeviene

Roditori

(X*neilem

ming)

conseguentem

entetrasmessoal67%dellaprole

assumendo

unacompensazione

completa(perché

laprogenie

YYmuore).Inalcune

specie

X*mostra

anchenondisgiunzione

nellalineagerminale

evienetrasmessoal100%

deifigli.

Geniperlamaschio-sterilità

citoplasmatica( CMS)

Inattivailpolline

(dacuinon

vienetrasmesso)e

così

Piante

accresceilsuccessodegliovulievitandoladepressione

dainincrocioe/olariallocazionedellerisorse.

ElementiPSR-simili(PSRinNasonia)

Esclude

tuttiglialtricromosom

ipaternidallo

zigote,

Imenotteri

cosìconvertendounafemminainun

maschio.Può

iffondersisolonellepopolazionidispeciedaplodiploidi

sbilanciatedallapartefemminile.

Perdita

delgenom

apaterno( PGL)

Icrom

osom

ididerivazione

paternaneim

aschi

Insetti,acari

vengonoesclusidallatrasmissione,consentendo

ildrive

deigenididerivazione

materna.Sem

braorasottoil

controllo

nuclearematerno,m

alacollocazione

(nucleareendosim

biotica)el’attività

(materna,

paternaozigotica)deigenioriginarisono

ignote.

Riepilogo e direzioni future 479Emicloniibridogenetici

Negliibriditraduespecie,ilgenom

aaploide

Animali

diunaspecieescludeilgenomaaploidedell’altra,

cosìaccrescendolapropriatrasmissione.

Elementiandrogenetici

Quandotrasmessoperviapaternaagisce

Animali,piante

nello

zigoteinmododaescludereilgenoma

materno,cosìaccrescendo

lapropriatrasmissione.

Geni H

EG(hom

ingendonucleasegenes)

Tagliaicromosom

iche

noncontengono

una

Funghi,piante,protesti

(�eVDEnellievito)

copiadelgeneevienecopiatosudiessicome

sottoprodottodelsistem

adiriparazionedel D

NA.

IntronidigruppoII

Creaunanuovacopiadelgene

Funghi,alghe

soggettiaretrohoming

attraversounostampo

diRNA.

Plasmidinucleari(2�mnellievito)

Plasmidecircolarechesiricom

binadurantelareplicazione,

Lieviti

consentendolacreazionedimoltecopienonostante

lareplicazione

abbiaorigineunavoltasola.

Trasposonia

DNA(elementiP

inDrosophila,elementiAcnelmais)

Creaunaproteinacheexcide

ilgene

dalgenom

aAnimali,funghi,piante

eloinserisceinun’altraposizione,inmododa

portareall’aum

entonelnum

erodicopie.

Retrotrasposoni

LINEeSINE

Creaunanuovacopiadelgeneattraverso


(elementiL1eAlunegliesseriumani)

unostampo

diRNA.

Retrotrasposoni

LTR(elementiTy

Creaunanuovacopiadelgeneattraverso


nellievito,elementicopiainDrosophila)

unostampo

diRNA.

Neocentromeri(Ab10nelm

ais)

Trascinailcrom

atidiolungoilfusodurantelaprima

Mais,altritaxa??

divisione

meiotica,cosìaccrescendoleprobabilitàdi

esseretrasmessoallacellulauovoevitandoilcorpopolare.

Cromosom

i B(2000specie)

Cromosom

asoprannumerariocherealizzaildrive

Animali,piante

mediantegenotassie/o

iper-replicazione.

Genisoggettiaimprinting

Influenzailcomportamentosociale(specialmente

Mammiferi,piante

versolemadri)inun

modocheèbeneficopersé

madannosoperlamaggiorpartedeglialtrigeni

delm

edesimoorganismo(non

soggettiaimprinting

conflittisia

conimprintingopposto).Sorgono

ogenicasia

sull’imposizione

orifiutodegliimprint

Inoltre,esistonosequenzechevengonofavoritedallaconversione

genicasbilanciata(adesem

pio,inucleotidiG

eCeleripetizioniminisatellite),ri-

arrangiamenticrom

osom

iciche

hannounamaggioreprobabilitàdiesseretrasmessiallacellulauovo

durantelameiosifem

minileemutazionicheac-

crescono

laproliferazionedeilignaggicellulariomitocondrialiaun

costoperl’organism

o(adesem

pio,itum

ori).

DNA consistono, come minimo, di un gene codificante per una trasposasi e didue estremità da questa riconosciute. Gli elementi retrotrasponibili LTR codifi-cano fino a sei proteine e possiedono regioni cis-attive necessarie per impacca-re l’RNA e per altre funzioni. L’elemento Ab10 del mais consiste sia di tratti ri-petuti di DNA non codificante sia di geni codificanti che fanno sì che quelle se-quenze ripetute operino come centromeri durante la meiosi, trascinandolelungo l’apparato del fuso. I killer autosomici come t e SD hanno molteplici ele-menti distorsori trans-attivi che manipolano la trasmissione di un allele respondercis-attivo, e anche il drive dei cromosomi sessuali coinvolge spesso svariati loci.In questi ultimi esempi, le diverse componenti non sono situate l’una accantoall’altra, ma si trovano invece sparse lungo il cromosoma ospite: elementi gene-tici egoisti distribuiti piuttosto che unitari.

È importante per tali elementi distribuiti che il tasso della ricombinazioneche divide le varie componenti non sia troppo elevato: un’eccessiva ricombina-zione impedirebbe l’aumento della loro frequenza. Inoltre, se è presente qual-che grado di ricombinazione, vi sarà selezione per ridurla. Il complesso t copreuna regione che nei cromosomi selvatici si ricombina con una frequenza del20%. Per t questo tasso è notevolmente ridotto, circa allo 0,1%, dall’evoluzionedi quattro inversioni. Troviamo inversioni anche in associazione con molticromosomi sessuali distorsori, e qualche genere di blocco della ricombinazionesi osserva nei complessi killer di spore dei funghi Neurospora. La necessità dellinkage tra le diverse componenti di un elemento egoista spiega presumibil-mente perché la maggior parte dei killer autosomici si trovi vicino ai centro-meri, dove la ricombinazione è spesso ridotta. Vale a dire, le regioni centrome-riche sono preadattate per evolvere questi complessi. I geni non collegati all’ele-mento egoista possono essere selezionati per imporre su di esso la ricombinazione,ma questo è un conflitto che è spesso facilmente risolto a favore dell’elementoegoista tramite la semplice evoluzione di inversioni, le quali rendono la ricombi-nazione costosa per tutte le parti interessate.

Ci si aspetta che i geni egoisti complessi con svariate componenti si sianoevoluti a partire da elementi più semplici, e in certi casi vi è stato chiaramenteun percorso evolutivo di aumento nelle dimensioni e nel grado di complessità.


12.1 Dimensioni degli elementi genetici egoisti. Le dimensioni (o intervalli di dimensioni) illustrateindicano il gruppo di linkage che viene trasmesso egoisticamente come una singola unità, piuttostoche le dimensioni dei geni responsabili (che in molti casi sono sconosciute). Ad esempio, nell’esclusio-ne genomica vengono indicate le dimensioni del genoma aploide anziché quelle dei geni al suo inter-no che causano il drive. Dunque le dimensioni indicano l’estensione di DNA entro cui le mutazioni cheaccrescono il drive sono positivamente selezionate.

L’aplotipo t si è espanso tramite l’accumulo sequenziale di loci distorsori ag-giuntivi, collegati assieme da inversioni. Anche SD ha acquisito i propri inten-sificatori e modificatori. I trasposoni LINE con due geni derivano chiaramentedai trasposoni LINE con un gene solo, e i cromosomi B, suggeriamo, potrebbe-ro spesso costituire centromeri espansi, con l’accumulo di sequenze ripetitive.Tale complessità evolve a causa della selezione per un maggiore drive e per uninferiore danno all’organismo ospite.

L’evoluzione della complessità dipende anche dalle mutazioni disponibili, lequali a loro volta dovrebbero dipendere dalle dimensioni dell’elemento egoista edel suo gruppo di linkage (Fig. 12.1). L’aplotipo t, ad esempio, abbraccia attual-mente circa 30 Mb e 300 geni. Una mutazione in qualunque punto di questa re-gione capace di accrescere il drive può essere selezionata positivamente, così comequalunque mutazione che accentui gli effetti del drivemaschile procurando ai ma-schi vantaggi sesso-antagonisti nella sopravvivenza o nella riproduzione. Il comples-so t può crescere in dimensioni nel corso del tempo evolutivo anche acquisendoulteriori inversioni, con un esiguo costo immediato. Anche i cromosomi sessualiegoisti, in particolare i cromosomi X, dispongono di diverse risorse genomiche concui lavorare. E i mitocondri delle piante, contenenti fino a quaranta geni codifican-ti per proteine, apparentemente hanno maggiori probabilità di evolvere geni CMS

rispetto alle probabilità che hanno i mitocondri delle specie animali, con i loro 12-13 geni, di evolvere qualcosa di equivalente (CMS negli ermafroditi, suicido dei ma-schi nelle specie con sessi separati). Il limite superiore per le dimensioni di un “ele-mento” egoista parrebbe essere la metà del genoma diploide – la metà che escludel’altra nei sistemi come la perdita del genoma paterno e l’androgenesi.

All’estremo opposto vi sono i geni HEG, che hanno subito pressioni selettivecostanti per dimensioni sempre più piccole al fine di accrescere le probabilitàdi essere copiati con successo dal sistema di riparazione del DNA degli organismiospiti. Anche gli elementi trasponibili sono solitamente selezionati per ridottedimensioni, a giudicare dalla loro organizzazione generalmente compatta. Laconsiderevole complessità adattativa dei geni HEG e degli elementi trasponibiliè invece dovuta al tempo che hanno avuto a disposizione – forse un miliardo dianni o più, in confronto a tre milioni di anni per l’aplotipo t e a 60 000 anniper un emiclone di Poeciliopsis monacha. Inoltre, dato che i geni HEG e gli ele-menti trasponibili sono piccoli e di fatto indipendenti dal genoma dell’ospite, laselezione può operare più efficacemente sulle mutazioni che avvengono in essiche non su quelle che si verificano nell’aplotipo t, dove la selezione sui varigeni vantaggiosi per l’ospite contenuti nella regione talvolta interferisce conquella sul drive. I cromosomi B combinano la mancanza di linkage con debolivincoli sulle dimensioni, e potrebbero pertanto avere l’opportunità maggiore


di accrescere il proprio grado di complessità; ma non è chiaro quale sia l’età diciascun cromosoma B e le prove attualmente disponibili suggeriscono che lacomplessità dipende in gran parte da tratti ripetuti di DNA non codificante.

Collocazione. Per alcune classi di geni egoisti, la loro modalità di azione ri-chiede che essi si trovino in una determinata posizione nel genoma ospite. Sedividiamo il genoma in compartimenti (autosomi, cromosomi X, cromosomiY e citoplasma), alcuni geni si diffondono solo se si trovano nel compartimentogiusto. In molte piante un gene per la maschio-sterilità si diffonde se è situatonel compartimento citoplasmatico, ma non se si trova nel nucleo. Un femmi-nilizzante dominante come quello che si osserva nei lemming si diffonde se ècollocato sul cromosoma X (o nel citoplasma), ma non se si trova in qualunquealtra posizione. In altri casi si osserva una tendenza senza che ne sia chiara la ra-gione. Ad esempio, perché i geni HEG e gli introni di gruppo II sono in granparte o esclusivamente limitati agli organelli?

Anche all’interno di un compartimento genomico, può essere importantedove precisamente l’elemento egoista sia posizionato. I geni HEG devono trovar-si nel mezzo della loro stessa sequenza di riconoscimento, o a una distanza di po-che coppie di basi. Se si sposta un gene HEG in un’altra parte del genoma senzacambiare la sua sequenza di riconoscimento, esso non si diffonderà. Ab10 e altrinoduli egoisti del mais hanno una maggiore probabilità di finire nella cellulauovo solo se non sono completamente collegati al centromero. Invero, essi fun-zionano nel modo migliore quando vi è esattamente un crossover tra loro e ilcentromero, il che li colloca in una posizione ottimale su ciascun cromosoma.Per contro, i killer autosomici tipicamente si formano vicino al centromero.

Meccanismo. Negli ultimi vent’anni sono stati compiuti progressi straordinarinella nostra comprensione dei meccanismi che governano il funzionamento dialcuni geni egoisti. Disponiamo oggi di modelli strutturali a livello atomico digeni HEG legati ai loro siti di riconoscimento, e di modelli molecolari dettagliatidi vari passaggi in diversi processi di trasposizione. Nel caso dell’imprinting, oggisappiamo che la metilazione differenziale del DNA gioca un ruolo chiave. Ma permolte classi di geni egoisti (ad esempio, i fattoriMedea nei coleotteri, i fattori ga-metofitici nelle piante, SR, X*, i cromosomi B e i vari sistemi di esclusione geno-mica) non abbiamo nessuna idea di come operino a livello molecolare.

È anche vero che più sappiamo dei meccanismi molecolari, più vorremmosapere. Ora che sappiamo che l’imprinting genomico coinvolge l’applicazione,il mantenimento e la lettura di imprint epigenetici, vorremmo conoscere le in-terazioni tra le componenti di questo sistema, e come potrebbero entrare in


conflitto. Ora che siamo a conoscenza dei geni coinvolti nel complesso SD,vorremmo sapere come riescono a colpire solo metà degli spermatozoi, o nelcaso dei geni coinvolti nella CMS, come riescono a colpire solo la produzione dipolline e non altri aspetti dello sviluppo. Ora che sappiamo come i geni HEG silegano al DNA, vorremmo studiare il modo di progettare nuovi geni HEG, dautilizzare magari nella terapia genica o nell’ingegneria genetica delle popolazio-ni. Comprendere le basi meccaniche dell’azione egoista è importante sia di persé sia per ciò che tale conoscenza rivela circa i processi evolutivi che hannodato forma all’elemento.

Negli ultimi vent’anni si è anche assistito a un notevole aumento nella va-rietà degli elementi genetici egoisti descritti. È facile prevedere che anche que-sta tendenza andrà avanti. Nuove sottoclassi di elementi trasponibili vengonodefinite continuamente, e intense ricerche riveleranno sicuramente nuovi casidi killer autosomici, di neocentromeri, di esclusione genica, e così via. I con-flitti basati sull’imprinting potrebbero essere estesi a nuovi taxa – i funghi fila-mentosi, ad esempio, o gli insetti eusociali – e a nuovi fenotipi – dispersione ovita mentale cosciente. E che dire riguardo a fenomeni ben noti con un aspet-to egoista che non è ancora stato riconosciuto? Ad esempio, nominiamo l’rDNAcome uno dei primi candidati per un DNA funzionale che potrebbe anche ave-re una componente egoista. Molteplici copie sono disseminate nel genoma e illoro numero varia enormemente da specie a specie (essendo correlato positiva-mente con le dimensioni del genoma). L’effetto di una nuova mutazione inuna di quelle copie sulle funzioni dell’organismo ospite sarà probabilmente dilieve entità, e la conversione genica sbilanciata potrebbe quindi giocare un ruo-lo importante nel destino delle nuove mutazioni. Sappiamo inoltre che l’rDNAinvade elementi egoisti come i cromosomi B e il DNA linea germinale-specifico.

Esistono altre classi completamente nuove di geni egoisti che devono anco-ra essere scoperte? La risposta a questa domanda dipende in parte da ciò che in-tendiamo per “completamente nuove”. Il fatto che alcune nuove categorie im-portanti – come i killer a effetto materno e gli elementi androgenetici – sianostate scoperte solo negli ultimi quindici anni suggerisce che molte sorprese ciattendono in futuro. Abbiamo ipotizzato nuovi modi in cui i cromosomi ses-suali potrebbero attuare il drive sfruttando aggiustamenti facoltativi del rapportotra i sessi. A completare il quadro dei killer gametici e dei killer a effetto mater-no, forse qualcuno un giorno descriverà un killer di fratelli – un gene che ucci-de i fratelli diploidi che non ne contengono una copia. Ed è probabile che kil-ler a effetto materno collegati ai cromosomi sessuali vengano scoperti nelle spe-cie vivipare a eterogametia femminile (come i serpenti). È anche piuttostomisterioso il fatto che non sia ancora stato scoperto alcun cromosoma B killer


con un sistema veleno-antidoto analogo a quelli che si osservano nei plasmidibatterici, o che non vi siano elementi trasponibili che attuano il self-splicing al li-vello dell’RNA o delle proteine. Forse un giorno anche questi verranno scoper-ti (o la loro assenza spiegata). Allo stesso modo, saremmo sorpresi se non venis-sero scoperti effetti egoisti del cromosoma X verso i consanguinei, essendo talecromosoma solitamente robusto in dimensioni e contenuto genico, diversa-mente dall’mtDNA e, spesso, dai cromosomi Y.

Geni egoisti e riproduzione sessuata

Una caratteristica che praticamente tutti gli elementi genetici egoisti hanno incomune è il loro fare assegnamento sulla modalità sessuata di riproduzione de-gli organismi ospiti – di fatto, gli elementi genetici egoisti sono stati descritticome le originarie malattie trasmesse per via sessuale. Anche il sistema di ac-coppiamento della popolazione ospite è importante, in particolare se vi sia unaprevalenza di inincrocio o di esincrocio, sebbene gli effetti varino tra le diverseclassi di elementi egoisti: alcuni tipi si diffondono più velocemente e persistonopiù a lungo nelle specie esincrociate, mentre altri hanno più successo in quellecon un certo grado di inincrocio. Ci si aspetta anche che gli elementi egoistiinfluenzino i processi di selezione sessuale, sebbene tali effetti siano stati finorapoco studiati.

Riproduzione sessuata e asessuata. Per alcuni tipi di elementi genetici egoisti,la dipendenza dalla modalità sessuata di riproduzione degli organismi ospiti èevidente. Non è possibile sfruttare un’asimmetria nella meiosi se non vi è alcu-na meiosi. Un gene non può procurarsi un vantaggio inattivando i gameti con-tenenti l’allele alternativo se non esiste alcun gamete, e non può agire su rela-zioni di parentela di minoranza se il genoma viene trasmesso en masse e i rap-porti di parentela sono uniformi attraverso il genoma.

Ma l’importanza della riproduzione sessuata va al di là di questi effetti evi-denti. Persino gli elementi trasponibili e i cromosomi B, che possono accumu-larsi nelle cellule mitotiche, non saranno in grado di persistere in una linea didiscendenza completamente asessuata se sono dannosi per l’organismo ospite.In una linea di discendenza siffatta l’intero genoma viene trasmesso intatto dauna generazione alla generazione successiva e agisce come unità di selezione.Se esistessero elementi genetici egoisti nell’ambito di una specie clonale, le di-verse linee di discendenza sarebbero inevitabilmente investite di un costo diffe-renziale e vi sarebbe selezione tra di esse a favore di quelle che pagano un costo


inferiore. Nelle discendenze con elementi particolarmente attivi, la frequenzadell’elemento potrebbe aumentare nelle generazioni, ma tali lignaggi scompari-rebbero gradualmente dalla popolazione rimpiazzati da quelli con elementimeno attivi. È possibile che un elemento trasponibile persista indefinitamentein una specie a riproduzione asessuata, ma solo nel caso in cui esso sia vantag-gioso per la linea di discendenza ospite. Un simile elemento non attirerebbel’evoluzione di soppressori e sarebbe inappropriato definirlo egoista. Sequenzeomologhe a elementi trasponibili sono state trovate nei rotiferi bdelloidei, ani-mali a riproduzione sessuata presumibilmente antichi, ma se siano o meno an-cora mobili è un fatto per il momento sconosciuto.

La medesima logica si applica anche all’evoluzione dei meccanismi di tra-sposizione nell’ambito delle specie a riproduzione sessuata. È facile immagina-re un gene codificante per una proteina che riconosce quel gene e ne crea co-pie in tandem, una accanto all’altra. Un gene siffatto potrebbe espandersi fino acontare decine, centinaia o migliaia di copie in un singolo sito, ma la selezioneguiderà quella schiera di copie all’estinzione a meno che esse non siano utili al-l’organismo o vengano separate l’una dall’altra dalla ricombinazione meiotica.Pertanto, gli unici elementi trasponibili che vediamo sono quelli che creanocopie figlie che vengono disperse lontano dalla copia parentale.

L’incapacità degli elementi egoisti di diffondersi in una popolazione a ripro-duzione asessuata probabilmente spiega anche perché i geni nucleari imponga-no l’eredità uniparentale sui loro organelli, fatto talvolta che porta uno dei duesessi (solitamente quello maschile) a sabotare i propri mitocondri per evitareche vengano trasmessi alla progenie. L’eredità uniparentale riduce il rischio ditrasmettere un organello a replicazione veloce ma per gli altri aspetti difettoso(anche se come effetto collaterale genera conflitti sull’allocazione delle risorseriproduttive). La necessità di riproduzione sessuata spiega anche perché un pla-smide egoista dei mitocondri delle muffe mucillaginose si sia evoluto in mododa ripristinare l’eredità biparentale (Kawano et al., 1991).

Inincrocio ed esincrocio. Per molti aspetti un’autofecondazione completaequivale alla riproduzione asessuata, e ci aspettiamo che tale condizione sia al-trettanto inospitale per gli elementi genetici egoisti. Ciò risulta più immediata-mente evidente nel caso di elementi egoisti come l’aplotipo t o i geni HEG cheattuano il drive solo negli eterozigoti, così che qualunque cosa riduca la fre-quenza degli eterozigoti – come l’inincrocio– diminuisce la portata del drive. Aparità di tutte le altre condizioni, questi tipi di elementi egoisti si diffonderannopiù rapidamente nelle popolazioni esincrociate che non in quelle inincrociate,e tale effetto è stato sperimentalmente dimostrato per un gene HEG e per un


plasmide del lievito. Il fatto di ridurre il rischio di acquisire nuovi elementiegoisti potrebbe anche essere una ragione importante per cui i lieviti privile-giano l’accoppiamento per inincrocio. Ironicamente, l’assai efficiente sistemadi inincrocio nei lieviti poggia su un sistema di commutazione del tipo sessua-le che a sua volta dipende da un gene HEG addomesticato. Riducendo la porta-ta del drive, l’inincrocio seleziona anche per elementi meno attivi (vale a dire,più benigni), nella misura in cui vi è un compromesso tra il drive e il danno ar-recato all’ospite.

La distribuzione degli elementi egoisti in funzione del sistema di accoppia-mento dell’ospite è stata studiata nel modo più approfondito per i cromosomiB delle piante da fiore. Le specie esincrociate hanno maggiori probabilità di re-care un cromosoma B delle specie inincrociate. In realtà, la teoria e i dati sonotalmente convincenti che qualunque eccezione – qualunque specie con elevatogrado di inincrocio recante un cromosoma B – rappresenterebbe un candidatopromettente per un cromosoma B benefico. A un livello più speculativo, ab-biamo suggerito che i trasposoni a DNA e gli elementi LINE sono assenti nel lie-vito del pane perché troppo dannosi per persistere in una specie con un gradocosì elevato di inincrocio. I retroelementi LTR che di fatto esistono nel lievitohanno caratteristiche insolite in quanto mostrano adattamenti complessi perbersagliare rifugi sicuri nel genoma dove hanno minori probabilità di risultarenocivi. Per altre classi di elementi genetici egoisti, l’associazione con il sistemadi accoppiamento è meno chiara, e potrebbero esservi addirittura indizi di unatendenza opposta. Podospora anserina è una specie fungina pseudo-omotallicache si autofeconda prontamente in laboratorio e che presumibilmente ha unalto grado di inincrocio in natura, ma che nonostante ciò possiede una grandequantità di geni HEG e di killer di spore. Entrambi questi tipi di elementi hannosolitamente effetti minimi sugli organismi ospiti e pertanto ci si potrebbe aspet-tare che giungano a fissazione, persino nelle specie altamente (ma non esclusi-vamente) inincrociate. Successivamente potrebbero degenerare a causa dellamancanza di bersagli da colpire. Può darsi che riducendo l’efficacia del drive, l’i-nincrocio ritardi la degenerazione di questi geni egoisti e aumenti la loro persi-stenza nel tempo, rendendoli più abbondanti.

Il sistema di accoppiamento interagisce anche in modi interessanti con glielementi egoisti che alterano il rapporto tra i sessi. L’inincrocio tipicamente se-leziona per un rapporto tra i sessi sbilanciato dalla parte delle femmine, e quin-di in linea di principio potrebbe selezionare a favore degli autosomi che avvan-taggiano i cromosomi X distorsori. I casi meglio studiati di cromosomi sessualidistorsori riguardano specie esincrociate (mosche, zanzare e lemming), e sonopertanto controselezionati dagli autosomi. Ma alcune specie inincrociate di ra-


gni hanno cromosomi X distorsori, sebbene non sia noto se questo drive sia go-vernato dal cromosoma X o dagli autosomi (o da entrambi). Alcuni taxa cheesibiscono il fenomeno della perdita del genoma paterno (PGL) sono inincro-ciati, e il sistema potrebbe essersi inizialmente evoluto negli antenati a eteroga-metia maschile con lo scopo preciso di produrre più figlie femmine. In realtà, èteoricamente possibile in questo caso che i geni inizialmente coinvolti si tro-vassero nel genoma paterno ed escludessero se stessi – geni autosacrificali piut-tosto che egoisti.

Ci si aspetta che anche i geni per la CMS abbiano più successo nelle specie(parzialmente) inincrociate, ma non perché producono un rapporto tra i sessisbilanciato dalla parte femminile (per quanto facciano anche questo). Piuttosto,è perché essi sono selezionati per abortire la produzione di polline in presenzadi qualunque livello di autofecondazione e di depressione da inincrocio, lad-dove i geni nucleari promuovono l’aborto del polline solo se il tasso di autofe-condazione e la depressione da inincrocio sono entrambi sostanziali. Qui ab-biamo un gene egoista che manipola il sistema di accoppiamento della specieospite, e tale manipolazione ha effetti di rimbalzo per la diffusione di pratica-mente tutti gli altri tipi di geni egoisti. Conformemente alle previsioni, la CMS

sembra essere diffusa in massimo grado nelle specie parzialmente inincrociate erara in quelle autoincompatibili, per quanto occorra un accurato lavoro com-parativo per verificare tale conclusione. Anche i fattori gametofitici nelle pian-te sembrano avere maggiori probabilità di stabilirsi nelle specie parzialmenteinincrociate che non in quelle con esincrocio obbligato, sebbene non sia anco-ra disponibile alcun dato per controllare questa ipotesi.

Ci si aspetta che i conflitti tra i geni di un organismo in merito all’inincro-cio e all’esincrocio siano diffusi, benché finora non sia disponibile alcuna provadiretta. Così, negli animali, si prevede che i costi e i benefici dell’inincrociodifferiscano tra i cromosomi X, Y e gli autosomi, e tra i geni di derivazione ma-terna e paterna, con tendenze relative opposte nei maschi e nelle femmine. Setali conflitti abbiano effettivamente portato a dinamiche evolutive interessanti èun fatto per ora sconosciuto. La recente dimostrazione del coinvolgimento del-l’imprinting nel riconoscimento dell’MHC da parte delle donne potrebbe forni-re qualche indizio in merito a quali possibilità siano aperte.

Procarioti ed eucarioti. L’importanza della riproduzione sessuata per l’evolu-zione degli elementi genetici egoisti può essere apprezzata anche confrontandoi genomi di organismi procarioti ed eucarioti. Non abbiamo esaminato in que-sto libro la gamma straordinaria di elementi genetici mobili scoperta nei batte-ri, e la comprensione della storia evolutiva di questi elementi soffre di un certo


ritardo rispetto a quella relativa agli eucarioti. Nondimeno, una chiara differen-za è che la distinzione relativamente netta negli eucarioti tra geni mendelianistabili che giovano all’organismo ospite e geni mobili distorsori che lo danneg-giano non vale per i procarioti. I plasmidi batterici non solo portano geni ne-cessari per la propria trasmissione ma contengono anche geni chiaramente be-nefici per l’organismo ospite. Questi tendenzialmente non sono geni house-keeping essenziali, quanto piuttosto geni la cui utilità risulta ecologicamentecontingente. Lo stesso vale per gli elementi trasponibili dei batteri. È possibileche le opportunità relativamente limitate che hanno questi elementi di trasfe-rirsi da una cellula a un’altra – l’equivalente batterico del drive – significhi chegli elementi puramente egoisti che non sono mai d’aiuto all’organismo sonospesso incapaci di diffondersi e di persistere nelle popolazioni. Negli eucarioti,la regolare riproduzione sessuata dà a tali elementi la possibilità di persistere e,suggeriamo, incoraggia il drive al punto che l’aumentato costo implicato nellacodifica di un gene benefico per l’ospite richiama di solito una selezione con-traria.

Questa distinzione tra procarioti ed eucarioti non è assoluta. Alcuni elemen-ti trasponibili degli eucarioti potrebbero avere evoluto promotori che operanoin modo da produrre occasionalmente una mutazione benefica. Alcuni funghipatogeni possiedono cromosomi B contenenti geni con effetti virulenti ospite-specifici, e alcuni lieviti hanno repliconi di RNA codificanti per tossine che ucci-dono le altre cellule di lievito. E i batteri hanno sia introni di gruppo II capaci diretrohoming sia geni HEG che potrebbero essere genuinamente egoisti. Un fattointeressante è che gli introni di gruppo II sono tipicamente associati alla frazionepiù mobile del genoma batterico – i plasmidi e i trasposoni. E i geni HEG batteri-ci solitamente bersagliano geni housekeeping stabili ma si ritrovano in battericon sistemi riproduttivi inconsueti – ad esempio negli archeobatteri con fusionecellulare e nei micobatteri con la loro insolita forma di coniugazione cromoso-mica. Esistono anche prove del fatto che i geni HEG possono giovare alle cellulebatteriche nelle colture miste, magari uccidendo i batteri rivali che non conten-gono il gene (esaminate in Burt e Koufopanou, 2005).

L’evoluzione della meiosi. In confronto alle modalità unidirezionali di trasfe-rimento genico che si osservano tipicamente nei batteri – trasformazione, tra-sduzione e coniugazione – la caratteristica preminente della riproduzione ses-suata negli eucarioti è l’irreggimentata simmetria e l’equità che (solitamente)mostra la segregazione mendeliana. È facile immaginare che queste caratteristi-che si siano evolute per accogliere elementi genetici egoisti e promuovere genibenefici per l’organismo, ma sappiamo così poco circa l’evoluzione della meio-


si che è impossibile dire qualcosa di più preciso finché non disporremo di mag-giori informazioni sul meccanismo molecolare sottostante. Quello che sappia-mo è che una componente fondamentale della meiosi, la ricombinazione, pro-duce di fatto la sua stessa debole forma di drive: la conversione genica sbilancia-ta. Le sequenze in corrispondenza delle quali è avviata la ricombinazionevengono perse come sottoprodotto del processo, conferendo alle sequenze ri-combinofobiche un vantaggio di trasmissione. Per questa ragione possono es-servi conflitti tra le componenti cis- e trans-attive del macchinario ricombina-zionale, ed è probabile che la ricombinazione sia qualcosa di imposto su una se-quenza di DNA piuttosto che qualcosa che essa si è evoluta per attrarre. Ladinamica risultante potrebbe spiegare l’acquisizione e la perdita di punti caldi epunti freddi nel corso del tempo evolutivo. Sebbene il meccanismo porti di fat-to a conflitti, si può immaginare che questa sia una situazione più stabile e salu-tare per la linea di discendenza ospite rispetto alla situazione opposta, in cui lesequenze ricombinogeniche godono di un vantaggio di trasmissione.

Selezione sessuale. Con la riproduzione sessuata viene la selezione sessuale,ma il suo ruolo nell’evoluzione degli elementi genetici egoisti rimane per lamaggior parte oscuro. Esistono indizi intriganti di alcune tendenze nella sceltadel partner sessuale. I maschi e le femmine eterozigoti per t, che sono gli indi-vidui più danneggiati dall’accoppiamento con un altro topo portatore di t, sonoanche, per parte loro, i più restii a farlo. In condizioni limitate di affollamento ealta competizione tra maschi senza possibilità di emigrazione, i maschi t hannoscarsissimo successo. Le femmine di D. pseudoobscura non compiono discrimi-nazioni nei loro primi accoppiamenti ma in quelli successivi sembrano evitare imaschi SR. Nelle mosche della famiglia delle Diopsidae (stalk-eyed flies), i ma-schi con cromosomi X distorsori hanno meno successo nella competizione perl’accoppiamento rispetto a quelli privi di tali cromosomi. D’altro canto, è sor-prendente che non vi siano buoni esempi di situazioni in cui l’attrattiva o ilsuccesso dei maschi nella competizione con altri maschi risultano negativamen-te influenzati dal possesso di cromosomi B. Tra le piante, una delle principaliforme di drive si verifica alla prima mitosi del granulo pollinico nelle gramina-cee: i cromosomi B evitano il nucleo che costruisce il tubetto pollinico e fini-scono invece nel nucleo generativo, così trovando un mezzo per diffondersidurante un periodo di selezione sessuale. È possibile che gli individui (soprat-tutto i maschi) con un numero relativamente superiore di inserzioni di elemen-ti trasponibili abbiano meno successo nella competizione per l’accoppiamento?Nessuno lo sa.


Geni in conflitto - Codice Edizioni · Indice vii Prefazione Capitolo 1 3 Elementi genetici egoisti...

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