Stessi geni, forme diverse

Nel corso degli ultimi anni sono andate accumulandosi numerose prove a sostegno del fatto che parte delle mutazioni importanti per l’evoluzione dei viventi sono localizzate nelle regioni regolative poste a monte di ogni gene e non all’interno dei geni stessi. L’ultimo fascicolo della rivista Science contiene un ottimo articolo del gruppo di ricerca coordinato da Sean B. Carroll in cui

Nel corso degli ultimi anni sono andate accumulandosi numerose prove a sostegno del fatto che parte delle mutazioni importanti per l’evoluzione dei viventi sono localizzate nelle regioni regolative poste a monte di ogni gene e non all’interno dei geni stessi.

L’ultimo fascicolo della rivista Science contiene un ottimo articolo del gruppo di ricerca coordinato da Sean B. Carroll in cui si dimostra come mutazioni di una regione regolativa a monte del gene ebony siano responsabili del melanismo di popolazioni africane di Drosophila melanogaster. In Africa esiste, infatti, una precisa correlazione tra l’altitudine a cui le drosophile vivono ed il grado di pigmentazione dell’addome ad indicare che questa variazione ha un probabile valore adattativo.

Il confronto tra le sequenze del gene ebony isolate in popolazioni di Drosophila con addome chiaro con le sequenze dello stesso gene isolate da popolazioni melaniche ha chiaramente indicato che il gene ha la stessa sequenza codificante, dimostrando come la causa delle differenze nella colorazione dell’addome sia in altre parti del gene.

I livelli di espressione dei geni sono controllati da regioni poste a monte di ogni gene, costituite da sequenze a cui vanno a legarsi una ampia gamma di fattori in grado di reclutare tutte quelle proteine che serviranno per realizzare la trascrizione. E’ quindi facile supporre che mutazioni in queste regioni possano alterare i livelli di espressione (ovvero quanto un gene e’ trascritto) o in alternativa il momento o il luogo in cui un gene e’ attivato.

L’aspetto di maggior interesse della pubblicazione di Sean Carroll e’ che dimostra in modo chiaro e convincente che la differenza nella pigmentazione dell’addome deriva da una serie di mutazioni presenti in una regione regolativa posta a monte del gene ebony, mutazioni che sono andate accumulandosi nel corso del tempo, per ciascuna delle quali e’ stato possibile ricostruire gli effetti sulla pigmentazione dell’addome.

Le regioni regolative possono essere considerate come strutture modulari date da piu’ sequenze che agiscono come siti di legame per fattori di trascrizione. Questo aspetto e’ molto importante perche’ le mutazioni in una di queste sequenze non avranno necessariamente effetto sulle altre, facendo si che le regioni regolative e le regioni codificanti abbiano differenti costrizioni evolutive. Le sequenze codificanti sono sottoposte, infatti, a numerose costrizioni nel corso dell’evoluzione, poiche’ tutte quelle mutazioni che alterano in modo significativo la struttura o la funzionalita’ della proteina saranno selezionate negativamente nel corso dell’evoluzione. Al contrario, mutazioni all’interno di singole sequenze regolative non andranno ad alterare la funzionalita’ degli altri siti di legame per i fattori di trascrizione, riducendo quindi l’impatto negativo delle mutazioni. Inoltre, poiche’ le regioni regolative non sono codificanti, le mutazioni che avvengono in tali regioni non devono “rispettare” il codice genetico, per cui una gamma piu’ ampia di mutazioni puo’ avvenire ed essere fissata. Ciascuna sequenza regolativa può inoltre evolvere in modo indipendente portando a variazioni nei livelli di espressione genica.

Poco piu’ di un anno e mezzo fa, Science pubblicava un articolo (presentato anche su Pikaia) di Elizabeth Pennisi contenente un’intervista a Jerry Coyne, il quale sosteneva che le prove a favore di un effetto fenotipico importante per le mutazioni nelle regioni regolative fossero ancora deboli. A distanza di 16 mesi, la situazione e’ invece ben diversa tanto che Carroll puo’ concludere il suo articolo affermando che le regioni regolative possono rappresentare un target di mutazione piu’ ampio per portare a modificazioni funzionali di un gene rispetto alle regioni codificanti.

Lo stesso numero di Science presenta inoltre un articolo in cui Elizabeth Pennisi illustra, oltre ai dati ottenuti da Sean Carroll, anche i risultati ottenuti in pesci dal gruppo coordinato da David Kingsley, altra dimostrazione sperimentale che mutazioni in regioni regolative sono associate ad evidenti modificazioni morfologiche. Sempre su Science ad ottobre era stato pubblicato un articolo in cui si dimostrava che mutazioni in regioni non codificanti a monte del gene tan erano associate a differenze nella pigmentazione di specie strettamente correlate appartenenti al genere Drosophila ad indicare che mutazioni nelle regioni regolative potrebbero avere avuto effetti anche a livello di speciazione.

Mauro Mandrioli


Mark Rebeiz, John E. Pool, Victoria A. Kassner, Charles F. Aquadro, Sean B. Carroll. Stepwise Modification of a Modular Enhancer Underlies Adaptation in a Drosophila Population. Science 18 December 2009, Vol. 326. no. 5960, pp. 1663-1667.

Elizabeth Pennisi. Spineless Fish and Dark Flies Prove Gene Regulation Crucial. Science 18 December 2009, Vol. 326. no. 5960, p. 1612.

Yingguang Frank Chan et al. Adaptive Evolution of Pelvic Reduction in Sticklebacks by Recurrent Deletion of a Pitx1 Enhancer. Science Express, Published Online December 10, 2009. Science DOI: 10.1126/science.1182213.