Riarrangiamenti del genoma

Originariamente, si riteneva che le sequenze che costituiscono il genoma di una certa specie rimanessero invariate nella loro organizzazione, tranne eccezioni molto rare. Tuttavia, le tecniche di biologia molecolare hanno rivelato che alcuni elementi di sequenza si muovono da un sito ad un altro, o sono aggiunti o deleti con una frequenza molto maggiore di quanto ci si attendeva.
Molti di questi cambiamenti, noti collettivamente come riarrangiamenti genetici, sono realmente molto rari e compaiono e si diffondono lentamente nella popolazione come parte dello sviluppo evolutivo che dà origine a nuove specie.

Sebbene condividano un antenato comune, la rapa e il cavolo hanno un aspetto e un gusto differente. Tuttavia comparare la sequenza dei geni dà informazioni che non sono utili all'informazione evolutiva. Essi hanno una successione dei geni che compongono il DNA quasi identica (99%) ma differiscono nell'ordine in cui i geni compaiono. Questo studio ha svolto una funzione preparatoria rispetto all'analisi dei riarrangiamenti del genoma nell'evoluzione molecolare. L'evoluzione si manifesta come una differenza nell'ordine dei geni.

Fig.1 Differenze tra il cavolo e la rapa.

Fig2. Comparazione delle sequenze genetiche prodotte dalla rapa e il cavolo senza informazione evolutiva.

Nel corso dell'evoluzione del genoma dell'antenato comune all'uomo e al topo si sono verificati riarrangiamenti del genoma. Partendo dallo studio della sindrome di Waardenburg si sono infatti evidenziati i seguenti fenomeni. Questa sindrome è un disordine genetico e compare nell'uomo attraverso alcuni sintomi specifici (perdita dell'udito e anomalie pigmentarie, come 2 diversi colori degli occhi). Nei primi anni '90 i biologi hanno circoscritto la ricerca del gene implicato nella sindrome di Waardenburg al cromosoma umano 2, ma senza riuscire ad individuarne subito la posizione esatta.
Parallelamente, da un certo tempo si era notato negli allevamenti di topi (che presentavano il gene splotch) che anche alcuni di essi presentavano una sindrome con sintomi simili a quella di Waardenburg, causata dal gene umano. Gli scienziati riuscirono a localizzare nel topo il gene responsabile della sindrome e tale scoperta risultò essere d'aiuto nel trovare il corrispondente gene negli uomini.

Fig 3. Effetto della sindrome di Waardenburg sulla capigliatura dei bambini (chiazze bianche).

In effetti guardando il genoma umano e quello del topo essi presentano notevoli somiglianze, è infatti probabile che i geni presenti in entrambi siano quelli appartenenti al comune antenato del topo e dell'uomo, il genoma dell'antico mammifero. In qualche modo, quindi, il genoma umano è quasi il genoma del topo tagliato in circa 300 grandi frammenti genomici, chiamati sinteny blocks, che sono stati messi insieme in ordine differente. Entrambe le sequenze non sono altro che due diversi mescolamenti del genoma dell'antico mammifero. Per esempio il cromosoma 2 nell'uomo è costituito da frammenti che sono simili al DNA del topo che si trova sui cromosomi 1, 2, 3, 5, 6, 7, 10, 11, 12, 14 e 17. nessuna sorpresa dunque che il ritrovamento di un gene nel topo possa risultare essere un buon indizio per trovare il posizionamento del corrispondente gene negli uomini.

Fig 4. Storia del "cromosoma X" nell'uomo e nel topo.

Ogni riarrangiamento del genoma è il risultato di un cambiamento nell'ordine dei geni e una serie di questi riarrangiamenti può alterare l'architettura genomica di una specie. Analizzare la storia dei riarrangiamenti del genoma dei mammiferi è una sfida, anche se uno studio recente sul genoma umano e quello del topo mostra che sono avvenuti poco meno che 250 riarrangiamenti del genoma dal momento in cui le due specie hanno cominciato a divergere circa 80 milioni di anni fa. Ogni studio dei riarrangiamenti del genoma è paragonabile alla risoluzione di un puzzle combinatorio, la cui soluzione si ottiene trovando la serie di riarrangiamenti che trasformano un genoma in altro. L'evento base del riarrangiamento consiste nel cambiamento di posto di un segmento genomico, che viene detto reversal o inversion. Esistono anche altri tipi di eventi evolutivi (traslocation, fusion, fission) ma ci concentreremo solo sull'inversione. I biologi si sono interessati allo scenario evolutivo che presentasse il minor numero di inversioni. Non c'è garanzia che questo scenario rappresenti una sequenza evolutiva attuale, tuttavia ci dà un limite minimo del numero di riarrangiamenti avvenuti e indica le similitudini tra 2 specie. Con il termine reversal intendiamo una inversione che provoca 2 breakpoints (punti di rottura che interrompono l'ordine) .