Lezione 11

Evoluzione del genoma

• Lynch Capitolo 8

• Grauer and Li Capitolo 6

• Evoluzione. Modelli e processi. A cura di Ferraguti e Catellacci. Pearson. Capitolo 7.

• Kaessmann H, 2010 Genome Research 20:1313–1326

Novità evolutive

Come si originano le novità evolutive

• Cambiamenti in geni già esistenti • Mutazioni puntiformi • Inserzioni/delezioni • Traslocazioni • Riarrangiamenti cromosomici

• Acquisizione di nuovi geni

• De novo • Duplicazione • Trasferimento orizzontale • Ibridazione

Come si originano le novità evolutive: geni de novo

Origine da sequenze non codificanti

Come si originano le novità evolutive: geni de novo

Origine da sequenze non codificanti

Come si originano le novità evolutive: duplicazioni genomiche Autopoliploidia

Gameti 2N

Zigote 4N 2N

Solo l’incrocio con un altro autopoliploide darà prole fertile Comune fra le piante AA

AA

AA

Autopoliploide AAAA

Allopoliploidia

Allopoliploide AABB

Come si originano le novità evolutive: duplicazioni genomiche

Come si originano le novità evolutive: duplicazioni genomiche

Da Skrabanek L, Wolfe KH. 1998

Come si originano le novità evolutive: duplicazioni genomiche

1R: il genoma raddoppia, 2R: il genoma quadruplica (aggiungiamo una fish-specific genome duplication: 3R) Ancora molta discussione sul numero e la datazione delle duplicazioni Si vedono delle tracce della 2R (esempio: geni Hox), ma altre sono cancellate da eventi successivi

Come si originano le novità evolutive: duplicazioni genomiche

Si vedono delle tracce della 2R (esempio: geni Hox)

Fig. 9.10: L’ espressione dei geni Hox nell’embrione di D. melanogaster (in basso) in specifici domini dell’asse antero-posteriore del corpo definisce la posizione di specifiche strutture lungo lo stesso asse nell’adulto (in alto). Al centro la disposizione dei geni Hox sul cromosoma

4 clusters nei vertebrati Geni con similarità di sequenza con quelli di Drosophila

>Complessità >Nr geni omeotici

Cromosoma 3

Come si originano le novità evolutive: duplicazioni genomiche

Il sequenziamento dei genomi di riccio di mare (Strongylocentrotus purpuratus, echinoderma) e dell’ascidia (Ciona intestinalis, tunicato) mostrano numerosi geni in proporzione 1 a 4 rispetto agli omologhi vertebrati

Si vedono delle tracce della 2R (esempio: sequenziamento di genomi)

Come si originano le novità evolutive: duplicazioni genomiche

Nel complesso il riccio di mare ha tanti geni quanti l’uomo: dopo le duplicazioni genomiche molte copie non sopravvivono come geni funzionanti

Tuttavia….

~ 23.000 geni ~ 24.000 geni

Come si originano le novità evolutive: duplicazioni geniche

1. Duplicazione intragenica 2. Duplicazione completa di un gene 3. Parziale duplicazione cromosomica (polisomia paraziale) 4. Duplicazione cromosomica completa (polisomia) 5. Duplicazione genomica (poliploidia)

Modalità di duplicazione genica

L’effetto deleterio dipende dalle modalità di riproduzione

comune Poliploidia

Quasi sempre deleterio. comune Polisomia

Quasi sempre deleterio. raro Polisomia parziale

Deleterio solo in organismi in cui il genoma è replicato come

un’unica molecola.

frequente Intero gene

Deleterio se cambia il reading frame.

Molto frequente

Parte di un gene

Effetto sulla Fitness Frequenza Regioni interessate dalla duplicazione

Equal & Unequal Crossing Over

Domini

Dominio funzionale: una regione specifica in una proteina che svolge una funzione specifica. Esempio: dominio di legame del substrato Dominio strutturale o modulo: una regione ben definita in una proteina che costituisce un’unità strutturale stabile e compatta che può essere distinta da tutte le altre unità.

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Definire i confini di un dominio funzionale spesso non è semplice perchè la funzionalità in molti casi è a carico di residui aminoacidici che sono sparsi lungo il polipeptide

Dominio funzionale

Cytochrome P450 2D6

Moduli strutturali sono colineari con la sequenza aminoacidica di una proteina, quindi un modulo consiste di una sequenza continua di aminoacidi

Dominio strutturale o modulo

Se la funzionalità è a carico di un modulo una duplicazione aumenterà il numero di segmenti funzionali. Se la funzionalità è a carico di residui aminoacidici distribuiti in diversi moduli una duplicazione potrebbe non essere efficace dal punto di vista funzionale

Possibili relazioni tra esoni di un gene e domini strutturali della proteina codificata

a e b: tipici di molte proteine globulari c: molto comune d ed e: molto rari

Intron sliding

Intron loss

Intron acquisition

Globine dei vertebrati: 4 domini 3 esoni Uno stesso esone può codificare più di un dominio: in questo caso l’esone 3 codifica per i due domini centrali

Perdita di introni durante l’evoluzione dei geni delle globine Il gene ancestrale aveva 4 esoni e 3 introni (il numero nel cerchio corrisponde all’introne perso)

Struttura ancestrale

Ricostruzione dell’evoluzione di un dominio dinucleotide-binding della gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi

Duplicazione di domini

immunoglobuline

Possibile origine: duplicazione interna al gene ancestrale Funzione attuale molto diversa (la parte variabile lega l’antigene)

Duplicazione di domini

Ogni dominio: 2 esoni e un introne Duplicazione da un iniziale dominio codificato da due esoni

Il gene ovomucoide L’ovomucoide è un inibitore della tripsina, un enzima che catalizza la digestione delle proteine. Si trova nell’albume dell’uovo degli uccelli. Il polipeptide può essere diviso in 3 domini, ognuno dei quali può legare una molecola di tripsina o un’altra serin proteasi

E1 E2 E3 E4 E5 E6

ENSGALT00000005554

Duplicazione di domini Similarità: AA nt Dominio I e II: 46% 66% Dominio I e III: 33% 42% Dominio II e III: 30% 50%

Geni antigelo nei pesci I fluidi dei teleostei ghiacciano da -1.0 a -0.7 °C Oceano Antartico: -1.9 °C Nel sangue dei pesci antartici c’è una proteina che inibisce la crescita dei cristalli di ghiaccio nei fluidi corporei Una di queste proteine deriva dall’acquisizione di funzione a seguito di una duplicazione interna al gene Ogni gene della famiglia codifica per un precursore (grossa poliproteina) →Traduzione → taglio enzimatico e produzione di numerose glicoproteine Abbassamento della temperatura dell’Oceano Antartico: 10-14 milioni di anni fa Comparsa del gene antigelo: 5-14 milioni di anni fa E’ possibile ricostruirne l’evoluzione perché è relativamente recente

Duplicazione di domini

Merluzzo dell’Antartico

Geni antigelo nei pesci: probabile evoluzione (molti cambiamenti e funzione completamente nuova in un breve tempo: pressione selettiva)

Da un gene con 6 esoni Delezione seguita da ‘esonizzazione’ di 5 nucleotidi intronici (sottolineati): nuovo gene con 2 esoni 4x Duplicazione di Thr-Ala-Ala Aggiunta di uno spaziatore (parte grigia) Ripetizioni interne = 41 repeats

Molti cambiamenti in un tempo breve: forte selezione positiva!

Duplicazione genica

Destino dei geni duplicati: 1. Tutte le copie mantengono la stessa funzione. 2. Alcune copie scompaiono. 3. Alcune copie evolvono con una nuova funzione.

X

Numbers of rRNA and tRNA genes per haploid genome in various organisms __________________________________________________________________________ Genome Source Number of Number of Approximate rRNA sets tRNA genes genome size (bp) __________________________________________________________________________ Human mitochondrion 1 22 2 104 Nicotiana tabacum chloroplast 2 37 2 105 Escherichia coli 7 ~ 100 4 106 Neurospora crassa ~ 100 ~ 2,600 2 107 Saccharomyces cerevisiae ~ 140 ~ 360 5 107 Caenorhabditis elegans ~ 55 ~ 300 8 107 Tetrahymena thermophila 1 ~ 800 2 108 Drosophila melanogaster 120-240 590-900 2 108 Physarum polycephalum 80-280 ~ 1,050 5 108 Euglena gracilis 800-1,000 ~ 740 2 109 Human ~ 300 ~ 1,300 3 109 Rattus norvegicus 150-170 ~ 6,500 3 109 Xenopus laevis 500-760 6,500-7,800 8 109 __________________________________________________________________________

Duplicazione genica: Tutte le copie mantengono la stessa funzione

Tutte le copie sono molto simili: selezione purificante o evoluzione concertata?

Duplicazione genica: Tutte le copie mantengono la stessa funzione

Duplicazione genica: Tutte le copie mantengono la stessa funzione

Duplicazione genica: Tutte le copie mantengono la stessa funzione

Opsina λ (nm) Stimolata dalla luce cromosoma

Rossa 560 Rossa Gialla Bianca X

Verde 530 Gialla Bianca X

Blu 430 Blu Bianca autosoma

96% identità aminoacidi 43%

Opsine G-protein coupled receptors + retinale (cromoforo) = fotopigmento

500 MYA

Nell’uomo

Duplicazione genica: Tutte le copie mantengono la stessa funzione

1 autosomico 1 X-linked polimorfico!

New world monkeys (NWM) Old world monkeys (OWM)

Autos X X

25-35 milioni di anni fa

Dopo 25-35 milioni di anni fa

Nelle NWM c’è polimorfismo (più alleli con sensibilità diverse alla luce) per il gene sull’X Solo le femmine eterozigote possono essere tricromiche, i maschi sono sempre dicromici

Nelle OWM la tricromia è possibile in entrambi i sessi grazie alla duplicazione dei geni sull’X

500 MYA

Duplicazione genica: Tutte le copie mantengono la stessa funzione

Old world monkeys

New world monkeys

Duplicazione genica: perdita di funzione di una delle copie

Ci sono ~7000 malattie genetiche documentate in letteratura che testimoniano come una mutazione possa distruggere la funzione di un gene che codifica per una proteina. PERO’: “As long as there are other copies of a gene that function normally, a duplicate gene may accumulate deleterious mutations and become nonfunctional without adversely affecting the fitness of the organism.” J. B. S. Haldane (1933) “Because deleterious mutations occur far more often than advantageous ones, a redundant duplicate gene is more likely to become nonfunctional than to evolve into a new gene.”

Susumu Ohno (1972)

Unitari

Pseudogeni

Processati Non processati

(duplicati)

Molto rari Molto comuni Comuni

Perdita di funzione per silenziamento di un gene post-duplicazione

L’unica copia rimasta è uno pseudogene

Geni retrotrasposti (es. LINE e SINE)

Ipoascorbemia o scrobuto = incapacità di sintetisi dell’acido ascorbico Cavie Uomo si ammalano di scorbuto se non assumo acido ascorbico (vitamina C) Trote

Perdita di funzione di un gene: pseudogeni unitari

Come si può fissare in una popolazione la perdita di un gene? Per deriva se la selezione è rilassata

X

Lo pseudogene non ha una controparte funzionante: pseudogene unitario Mutazioni diverse in uomo e cavia: perdita di funzione in momenti diversi

Duplicazione genica: perdita di funzione di una delle copie Pseudogeni non processati

Molti esempi nelle globine

Polyadenilation signal