Il DNA ereditato dai Denisoviani non è soltanto una traccia degli incroci avvenuti decine di migliaia di anni fa. Alcune varianti presenti ancora oggi nei genomi umani possono aumentare o ridurre l’attività di geni coinvolti, tra le altre cose, nelle difese immunitarie e nello sviluppo dello scheletro.
È uno dei risultati di uno studio pubblicato lo scorso giugno su Science, che ha esaminato la storia genetica delle popolazioni della Vicina Oceania.
«Questo DNA non è soltanto ciò che resta di antichi incroci: continua a influenzare la nostra biologia», afferma Serena Tucci, responsabile dello Yale Human Evolutionary Genomics Laboratory e coordinatrice della ricerca.
Quale Oceania?
L’espressione Vicina Oceania indica la Nuova Guinea, l’arcipelago di Bismarck e le principali Isole Salomone, e rimanda a due fasi diverse del popolamento del Pacifico. Gli esseri umani, infatti, raggiunsero la Vicina Oceania almeno 42.000 anni fa. Le isole situate più a est, riunite sotto il nome di Oceania remota – tra cui Vanuatu, Nuova Caledonia, Fiji, Polinesia e Micronesia – furono invece abitate molto più tardi, a partire da circa 5.000 anni fa.
I ricercatori hanno sequenziato ad alta copertura i genomi di 177 persone appartenenti a 12 popolazioni della Vicina Oceania e li hanno confrontati con 1.284 genomi già pubblicati di persone provenienti da altre parti del mondo. Sequenziare un genoma “ad alta copertura” significa leggere più volte ciascuna porzione del DNA, così da ridurre gli errori e riconoscere con maggiore sicurezza le varianti genetiche.
Una lunga storia di isolamento
I genomi mostrano che dopo il primo popolamento della Vicina Oceania, alcune comunità rimasero relativamente isolate per oltre 15.000 anni. La separazione geografica e il numero limitato di scambi tra le isole permisero alle differenze genetiche tra le popolazioni di accumularsi nel tempo.
In diversi gruppi, i genomi conservano le tracce di periodi in cui le comunità sono rimaste a lungo poco numerose o hanno subito forti riduzioni demografiche. I segnali più evidenti riguardano alcuni gruppi Baining della Nuova Britannia e le popolazioni di Bellona, Rennell e Tikopia, nelle Isole Salomone. Questi fenomeni hanno ridotto la variabilità genetica all’interno dei singoli gruppi e accentuato le differenze tra popolazioni anche geograficamente vicine, ma lo studio non permette di ricostruirne con precisione le cause.
A questa storia antica si sovrappose, molto più tardi, l’espansione austronesiana. Con questa espressione si indica una serie di migrazioni associate alla diffusione delle lingue austronesiane, oggi parlate dal Sud-est asiatico insulare fino a vaste aree del Pacifico. Le popolazioni coinvolte erano legate, in ultima analisi, a gruppi provenienti da Taiwan.
Nella Vicina Oceania il loro arrivo è documentato geneticamente a partire da circa 3.300 anni fa. I nuovi arrivati incontrarono e si mescolarono con comunità che vivevano nella regione già da decine di migliaia di anni, aggiungendo un nuovo strato alla sua storia genetica.
Gli incontri con i Denisoviani
La storia ricostruita dallo studio comprende anche incroci molto più antichi, avvenuti tra Homo sapiens e altre popolazioni umane. I Denisoviani sono un gruppo umano estinto identificato inizialmente grazie al DNA ricavato da pochi resti fossili rinvenuti nella grotta di Denisova, in Siberia. Di loro conosciamo pochissime ossa e denti, ma il DNA che hanno lasciato nei genomi delle popolazioni attuali suggerisce che gruppi affini ai Denisoviani fossero diffusi in un’area molto più vasta dell’Asia.
Quando individui appartenenti a popolazioni diverse si riproducono tra loro, alcuni frammenti di DNA di un gruppo possono entrare nel patrimonio genetico dell’altro e trasmettersi alle generazioni successive. Questo processo prende il nome di introgressione. Con il passare delle generazioni, quei frammenti vengono spezzati e rimescolati. È comunque possibile riconoscerne l’origine confrontandoli con i genomi arcaici disponibili e studiando come sono distribuiti nelle popolazioni contemporanee.
Lo studio ha trovato segnali compatibili con incroci tra gli antenati delle popolazioni della Vicina Oceania e tre gruppi distinti affini ai Denisoviani, ciascuno con un diverso grado di somiglianza con il genoma rinvenuto in Siberia. Il risultato non permette ancora di dire dove vivessero questi gruppi o quando siano avvenuti esattamente gli incontri. Mostra però che il DNA denisoviano presente oggi nella regione non deriva da un’unica popolazione arcaica omogenea.
Molto più DNA denisoviano di quanto si conoscesse
Le popolazioni oceaniane analizzate possiedono, in media, circa 14 volte più sequenze di origine denisoviana rispetto alle popolazioni dell’Asia orientale incluse nello studio. La quantità, però, varia molto tra un gruppo e l’altro. Negli individui Sepik della Nuova Guinea, per esempio, i ricercatori hanno individuato circa 25 volte più DNA denisoviano rispetto ai campioni dell’Asia orientale. Combinando i frammenti conservati in persone diverse, il gruppo ha inoltre ricostruito una quantità di sequenza denisoviana quasi tripla rispetto a quella ottenuta negli studi precedenti.
Questo non significa che il genoma di una singola persona contenga un Denisoviano “quasi completo”. Ciascun individuo conserva frammenti diversi. Riunendoli, i ricercatori possono ampliare il catalogo delle sequenze arcaiche conosciute e ottenere un quadro più dettagliato della variabilità genetica di quelle popolazioni estinte.
Che cosa fanno oggi le varianti arcaiche?
Individuare un frammento di DNA proveniente da Neanderthal o Denisoviani non basta per stabilire se abbia ancora un effetto. Molte varianti sono neutrali; altre possono essere dannose e venire eliminate gradualmente dalla selezione naturale. Alcune, invece, possono risultare utili in un particolare ambiente e diventare più frequenti.
Quando una variante acquisita attraverso l’incrocio con un’altra popolazione viene favorita dalla selezione naturale, si parla di introgressione adattativa. Per verificare se alcune varianti arcaiche influenzassero davvero l’attività dei geni, gli autori hanno utilizzato una tecnica chiamata Massively Parallel Reporter Assay, o MPRA. Il metodo permette di esaminare contemporaneamente migliaia di brevi sequenze di DNA.
Per ciascuna delle 22.313 varianti selezionate, i ricercatori hanno sintetizzato due versioni dello stesso breve tratto di DNA. Le due sequenze erano uguali, salvo per una sola lettera nel punto della variante: una conteneva l’allele di origine arcaica, cioè la versione ereditata dagli ominini arcaici, l’altra l’allele di riferimento. In questo modo era possibile confrontare direttamente, nello stesso esperimento, l’effetto regolatore delle due versioni.
Ciascuna sequenza è stata inserita in un vettore, cioè una piccola molecola circolare di DNA usata per trasportarla dentro la cellula. Nel vettore era presente anche un gene reporter, aggiunto appositamente per il test. Il gene reporter non serve a studiare una funzione biologica propria: serve soltanto come strumento di misura. Se il frammento di DNA inserito nel vettore ha un’attività regolatrice, può far produrre alla cellula più o meno RNA a partire da quel gene reporter.
Per capire perché questo sia possibile, bisogna ricordare che le cellule possiedono proteine che si legano a specifiche sequenze di DNA e possono aumentare o ridurre l’attività dei geni. Se una singola differenza nella sequenza cambia il modo in cui queste proteine si legano al DNA, può cambiare anche la quantità di RNA prodotta dal reporter. Il test misura se l’allele di origine arcaica e quello di riferimento fanno lavorare il reporter in modo diverso.
A ogni sequenza era associato anche un barcode, cioè un breve codice identificativo. Il barcode non va confuso con il gene reporter: non è il segnale da misurare, ma solo un’etichetta. Quando la cellula trascrive il gene reporter in RNA, viene copiato anche il barcode. In questo modo, leggendo i barcode presenti negli RNA prodotti, i ricercatori possono sapere quale sequenza ha generato ciascun segnale.
Tutti i vettori, contenenti le due versioni delle migliaia di varianti, sono stati poi introdotti contemporaneamente in due linee di cellule umane coltivate in laboratorio, K562 e Jurkat, usate come modelli di cellule del sangue e del sistema immunitario. I vettori non vengono inseriti nei cromosomi della cellula: restano separati, ma possono comunque essere letti dalla macchina cellulare che produce RNA. È proprio in questo senso che l’esperimento è massivamente parallelo: migliaia di confronti avvengono nello stesso momento, e i barcode permettono di distinguerli alla fine.
L’ultimo passaggio consiste nel confrontare, per ciascuna sequenza, la quantità di RNA prodotta con la quantità di DNA di partenza introdotta nelle cellule. Questo serve a evitare che una variante sembri più attiva soltanto perché nelle cellule erano entrate più copie del suo vettore. Gli autori hanno così individuato 3.127 varianti per le quali i due alleli producevano livelli diversi di RNA.
Il risultato indica che queste varianti possono modificare l’attività regolatrice del tratto di DNA in cui si trovano, almeno nelle cellule e nelle condizioni sperimentali usate nel test. Non dimostra però, da solo, che l’effetto sia identico nel loro contesto naturale, cioè nella posizione originale che occupano all’interno dei cromosomi.
«Con questo studio siamo andati oltre il semplice tentativo di “resuscitare” questo DNA, mostrando come possa accendere e spegnere attivamente i geni», spiega Tucci.
Gli effetti sul sistema immunitario
Molte delle varianti funzionali identificate si trovano in regioni che regolano il sistema immunitario. Gli autori hanno rilevato in particolare numerosi segnali nella via dell’interferone gamma, una molecola con cui le cellule coordinano parte della risposta contro virus, batteri e altri agenti infettivi.
Tra i geni interessati ci sono JAK1, GBP2 e OAS1. Per quest’ultimo, i ricercatori hanno caratterizzato un insieme di varianti denisoviane ereditate insieme, cioè un aplotipo, individuato soltanto nelle popolazioni oceaniane analizzate.
Questo non significa che il DNA denisoviano renda genericamente più efficienti le difese immunitarie. Gli effetti cambiano a seconda della variante, dell’ambiente e dell’agente infettivo. Inoltre, molti dei segnali trovati non sono condivisi da tutte le popolazioni della regione. Il quadro suggerisce quindi che siano avvenuti più adattamenti locali indipendenti: popolazioni differenti avrebbero conservato varianti diverse in risposta alle condizioni ambientali e ai patogeni incontrati.
La malaria, presente da lungo tempo nella regione, potrebbe essere stata una delle pressioni selettive. Due regioni candidate all’introgressione adattativa coincidono con loci che altri studi hanno associato alla suscettibilità alla malaria. È però soltanto un indizio: lo studio non dimostra che sia stata proprio questa malattia a favorire le varianti.
Un segnale vicino a un gene dello sviluppo scheletrico
Gli effetti potenziali del DNA arcaico non riguardano soltanto l’immunità. Lo studio individua un forte segnale di introgressione denisoviana adattativa vicino a TRPS1, un gene coinvolto nello sviluppo delle ossa e nella morfologia del volto.
Lo stesso gene aveva già mostrato segnali di selezione in popolazioni di cacciatori-raccoglitori delle foreste dell’Africa centrale e in popolazioni degli altipiani dell’Ecuador. Non si tratta necessariamente delle stesse varianti, né dello stesso adattamento. Il risultato suggerisce piuttosto che, in ambienti diversi, la selezione naturale possa agire più volte sullo stesso gene o sulle funzioni che esso controlla.
Le lacune da colmare
La ricerca richiama infine l’attenzione su un problema più generale: molte popolazioni con storie evolutive particolari sono ancora poco rappresentate nei grandi studi di genomica umana.
«La drastica sottorappresentazione delle popolazioni oceaniane limita la nostra comprensione dell’evoluzione umana e potrebbe aggravare le disuguaglianze sanitarie, man mano che la ricerca genomica viene usata per sviluppare nuovi trattamenti», osserva Tucci.
Se le associazioni tra varianti genetiche, malattie e risposta ai farmaci vengono studiate quasi soltanto in alcune popolazioni, i risultati potrebbero non essere validi nello stesso modo per tutti. Ampliare i campioni non serve quindi soltanto a ricostruire meglio il passato, ma anche a evitare che i progressi della medicina genomica aumentino disuguaglianze già esistenti.
Nelle popolazioni della Vicina Oceania, gli incroci avvenuti decine di migliaia di anni fa hanno lasciato una quantità di DNA denisoviano senza paragoni nelle altre regioni studiate. Una parte di quelle varianti non è rimasta silenziosa: continua a contribuire alla regolazione dei geni nelle persone che vivono oggi.
Riferimenti
Reilly P.F., Rong S., Tejada-Martinez D., Miller S.L., Tjahjadi A., Liu C., Akers J., Pomer A., Prentice M.E., Merriwether D.A., Friedlaender F.R., Koki G., Friedlaender J.S., Reilly S.K., Tucci S., “Long-term isolation and archaic introgression shape functional genetic variation in Near Oceania”, Science, 392, eadr6749 (2026).
In apertura: un uomo con il nipote nella provincia della Nuova Britannia Orientale, in Papua Nuova Guinea, una delle aree rappresentate nello studio. Foto: Taro Taylor / Wikimedia Commons, licenza CC BY 2.0.