Lezione 10

Dimensioni del genoma e complessità degli organismi

• Lynch: The origins of Genome Architecture

Capitolo 2

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

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 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

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

Alternativa: l’esplosione del genoma potrebbe essere controllata dalla selezione contro la fissazione delle inserzioni? 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 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 selezione

deriva

Piccole dimensioni non permettono di evitare l’accumulo di mutazioni deleterie e rendono difficile promuovere quelle benefiche

Mutazione e deriva genetica definiscono l’efficacia della selezione

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

Relazione tra il tasso di sostituzione per nucleotide per generazione (Y) e dimensione del genoma (X). Punti: stima media per taxon – per la maggioranza dei microbi le osservazioni sono poche, mentre nei taxa multicellulari i data sets sono grandi, anche genomi interi-.

RNA viruses alone

pooled data from dsDNA viruses, eubacteria, and archaea

La deriva permette un aumento del tasso di mutazione per generazione

La deriva permette un aumento del tasso di mutazione per generazione

Per cellula

Tasso di errore complessivo

Tasso di errore di incorporazione prima dell’attività proofreading e mismatch repair

La deriva permette un aumento del tasso di mutazione per generazione