Lezione 10

Dimensioni del genoma e complessità degli organismi

• Lynch: The origins of Genome Architecture

Capitolo 2

• Graur lecture 43c: Genome size

I 3 paradossi del genoma

K N

C

Paradosso del valore K: la complessità non correla con il numero di cromosomi.

46 250

Ophioglossum reticulatum Homo sapiens Lysandra atlantica

~1260

Il valore C (quantità di DNA contenuto nel nucleo di una cellula aploide di un organismo)

3.4 109 bp Homo sapiens

6.8 1011 bp Amoeba dubia

1.5 1010 bp Allium cepa

Paradosso del valore C: la complessità non correla con la grandezza del genoma.

Paradosso del valore N: Il numero di geni e la complessità degli organismi non sono correlati

~21000 geni ~25000 geni ~60000 geni

Paradosso del valore N: Il numero di geni e la complessità degli organismi non sono correlati

Se non è una conseguenza dell’aumento del numero di geni, allora deve essere come quei geni si esprimono 1. Essere costituiti da un nuovo tipo cellulare e essere organismi più grandi ha

promosso l’evoluzione di nuovi modelli di espressione (spiegazione ADATTATIVA)

oppure 2. Nuovi tipi cellulari e maggiori dimensioni hanno avuto come effetto collaterale

NON ADATTATIVO un cambiamento nell’architettura del genoma che in un secondo tempo ha posto le basi per nuove funzioni cellulari adattative

Origine della complessità strutturale e flessibilità nello sviluppo degli eucarioti

Tesi di Lynch: Molti aspetti della complessità del genoma degli eucarioti si sono originati grazie a processi non adattativi (mutazione, deriva) molto più efficaci quando le dimensioni effettive popolazionistiche sono minori

Quanta parte del genoma è costituita da DNA codificante, introni e DNA intergenico in genomi di diversa grandezza

Il numero di geni e la complessità degli organismi non sono correlati

Come si legge? Tutti i punti che giacciono su questa linea indicano

specie in cui la componente intergenica rappresenta il 10% del

genoma totale

Perché ci sono genomi più grandi? Due ipotesi

Ipotesi del Bulk-DNA (Bulk = mole) (Commoner 1964; Bennett 1972; Cavalier-Smith 1978)

Ipotesi del Selfish-DNA (DNA egoista) (Doolittle and Sapienza 1980; Orgel and Crick 1980)

Organismi di maggiori dimensioni hanno cellule più grandi, e organismi con cellule più grandi hanno in genere genomi più grandi Avere una mole maggiore (bulk) può avere un significato adattativo perchè le dimensioni del genoma definiscono quelle del nucleo, la grandezza delle cellule, il tasso di divisione, quindi nel complesso influenzano il tasso di sviluppo e la dimensione cellulare allo stadio maturo.

L’espansione delle dimensioni del genoma è dovuta alla proliferazione di elementi genetici egoisti (“selfish”) che si espandono finché non hanno effetto negativo sulla fitness

Perché ci sono genomi più grandi? Due ipotesi

Ipotesi del Selfish-DNA (DNA egoista) (Doolittle and Sapienza 1980; Orgel and Crick 1980) L’espansione delle dimensioni del genoma è dovuta alla proliferazione di elementi genetici egoisti (“selfish”) che si espandono finché non hanno effetto negativo sulla fitness Punti a favore: Notevole presenza di elementi mobili nei genomi di tutti gli eucarioti Punti a sfavore: Molti altri elementi non mobili (introni, DNA ripetitivo, inserzioni random) sono presenti negli stessi genomi: non si autoreplicano, ma anch’essi crescono di numero

Perché ci sono genomi più grandi? Due ipotesi Ipotesi del Bulk-DNA (Bulk = mole) (Commoner 1964; Bennett 1972; Cavalier-Smith 1978) Correlazione tra grandezza del genoma e proprietà cellulari

Perché ci sono genomi più grandi? Due ipotesi Ipotesi del Bulk-DNA (Bulk = mole) (Commoner 1964; Bennett 1972; Cavalier-Smith 1978) Correlazione tra grandezza del genoma e proprietà cellulari Ma qual è il significato evolutivo?

Grandi dimensioni cellulari → aumento dimensioni del nucleo e del genoma nucleare per regolare meglio il flusso dell’informazione al citoplasma

Perché non meccanismi meno ‘rischiosi’ come un aumento della porosità della membrana nucleare?

Rischiosi sono infatti gli elementi responsabili dell’espansione: i trasposoni (causano un alto tasso di mutazione)

Perplessità:

Il costo metabolico del DNA Le specie microbiche sfidano le due ipotesi

Ipotesi adattazionista del Bulk-DNA Ipotesi non adattazionista del Selfish-DNA

Comune: il DNA è metabolicamente costoso, per questo i microrganismi hanno dimensioni genomiche più piccole, ad esempio per mantenere un’efficiente riproduzione

Tuttavia: non ci sono evidenze dirette che la replicazione cellulare sia limitata dal costo metabolico del DNA, anzi! 1. Nel mondo dei procarioti non c’è correlazione tra grandezza del genoma

e ritmo di divisione cellulare 2. In alcune fasi di crescita rapida alcuni procarioti possono presentare

molte copie del genoma in una sola cellula 3. Negli Eubatteri la replicazione è più veloce della sintesi dell’mRNA

Modificazioni delle dimensioni del genoma

Elementi trasponibili: elevato tasso di trasposizione, 10-5 per elemento per generazione che genera delezioni ed inserzioni

From Strachan and Read, Human Molecular Genetics 2

Piccole in-dels possono essere originate da strand-slippage

Modificazioni delle dimensioni del genoma

In-dels possono essere originate anche da duplicazioni di interi geni (segmental duplication)

Modificazioni delle dimensioni del genoma

Sung and Klein Nature Reviews Molecular Cell Biology 7, 739–750 (October 2006) | doi:10.1038/ nrm2008

Modificazioni delle dimensioni del genoma

Il riparo della rottura di un doppio filamento può portare a ricombinazione o no, ma non cambia la QUANTITA’ di DNA

Modificazioni delle dimensioni del genoma

inserzione

Se in uno dei due cromosomi c’è un’inserzione il riparo della rottura di un doppio filamento può AUMENTA LA QUANTITA’ di DNA

Tendenza all’aumento delle dimensioni del genoma

Tutti i meccanismi che abbiamo visto potrebbero generare un aumento delle dimensioni del genoma se non controllati

Per controllare l’esplosione del genoma ci vuole selezione contro la fissazione delle inserzioni? Oppure le delezioni sono sufficienti a controbilanciare le inserzioni? Per alcune specie (es. C. elegans) sembra di no: il tasso netto di guadagno supera quello di perdita in esperimenti controllati per assenza di selezione (queste specie avrebbero comprato un “one way ticket to genome obesity” secondo Bennetzen e Kellogg, 1997)

Tasso di delezione? Dimensioni genoma

Ci sono differenze interspecifiche: non sembra però troppo realistico spiegare la tendenza a genomi più piccoli come risultato di un tasso maggiore di delezione

Costo evolutivo dell’aumento delle dimensioni del genoma

Perché le inserzioni dovrebbero subire selezione negativa? - Gain of function: comparsa di nuove funzioni deleterie - Trasposoni: aumentano i cambiamenti sfavorevoli - Costo degli introni - Soprattutto: più materiale c’è maggiore è la possibilità che compaia una mutazione sfavorevole

Le dimensioni della popolazione sono la chiave per l’efficacia della selezione Piccole dimensioni non permettono di evitare l’accumulo di mutazioni deleterie e rendono difficile promuovere quelle benefiche Il tasso di mutazione definisce con che velocità compaiono mutazioni deleterie mentre La dimensione delle popolazioni definisce l’abilità della selezione di levarle di mezzo

Mutazione e deriva genetica definiscono l’efficacia della selezione

Per qualche motivo in una particolare linea evolutiva la selezione naturale favorisce grandi dimensioni corporee Maggiori dimensioni corporee = Minori dimensioni popolazionistiche Minori Ne = minore efficacia della selezione, maggiore della deriva

Mutazione e deriva genetica definiscono l’efficacia della selezione

L’efficienza della selezione è ridotta Inserzioni non troppo deleterie si accumulano Crescono le dimensioni del genoma per via della minore capacità di togliere di mezzo il DNA in eccesso Popolazioni grandi = individui piccoli: la selezione funziona meglio contro le inserzioni in eccesso → genomi piccoli

La deriva permette un aumento del tasso di mutazione per generazione

La deriva permette un aumento del tasso di mutazione per generazione

La deriva permette un aumento del tasso di mutazione per generazione

Per cellula

La deriva permette un aumento del tasso di mutazione per generazione