Una corsa agli armamenti evolutiva nel genoma umano
All’interno del genoma dei primati, uomo compreso, si è svolta una guerra tra geni e retrotrasposoni che ha influenzato il corso della sua evoluzione
La Regina Rossa spiega ad Alice che nel mondo di Attraverso lo specchio «ci vuole tutta la velocità di cui si dispone se si vuole rimanere nello stesso posto». Nel 1973 il biologo evolutivo Leigh Van Valen si richiamò alla corsa della Regina Rossa nell’elaborare l’ipotesi secondo cui, nella coevoluzione antagonista tra due specie, si instaura un equilibrio dinamico in cui la selezione naturale agisce su ogni specie per far sì che possa preservare il proprio adattamento e ogni vantaggio selettivo acquisito da una specie si accompagna a un cambiamento nell’altra.
L‘ipotesi della Regina Rossa è ancora oggetto di dibattito e non è l’unico modello capace di descrivere la coevoluzione antagonista, ma coglie un aspetto del gioco di adattamenti e contro-adattamenti che sfocia spesso in quella che è stata definita la “corsa agli armamenti” evolutiva. Non è difficile immaginare lo svolgersi, in natura, di questa guerra permanente tra una preda e un predatore o un parassita e il proprio ospite e, in effetti, questo modello è stato pensato per descrivere l’interazione evolutiva tra questi organismi. Più difficile, forse, è immaginare che qualcosa di simile si sia svolto anche dentro gli esseri viventi, nel cuore del loro genoma.
Il ruolo dell’antagonista, in questo scontro, potrebbero averlo svolto gli elementi trasponibili, sequenze di DNA capaci di “saltare” da un punto all’altro del genoma dove risiedono, anche all’interno della sequenza di un gene. Si stima che il genoma umano sia composto per il 45-50% da elementi trasponibili e percentuali simili si riscontrano anche nel genoma di altri mammiferi. Agli elementi trasponibili appartiene la classe dei retrotrasposoni, come i LINE e i SINE, in grado di spostarsi attraverso un meccanismo “copia e incolla” che prevede la trascrizione di un intermedio a RNA che viene poi retrotrascritto a DNA.
I retrotrasposoni hanno colonizzato il genoma umano molto prima della divergenza tra l’uomo e gli altri primati e, per la loro capacità di spostarsi e inserirsi anche all’interno di geni, potrebbero avere tuttora un ruolo nell’insorgenza di alcune patologie, come le neoplasie del sangue. Ciò ha aperto la strada all’azione della selezione naturale che ha portato, nel nostro genoma, all’emergere di meccanismi difensivi, innescando una corsa alle armamenti con i retrotrasposoni, simile a quella tra preda e predatore.
Ciò trova conferma in una ricerca, pubblicata su Nature, che ha come oggetto una famiglia di geni chiamati KZNF, che contengono l’informazione per la sintesi di proteine che fungono da repressori della trascrizione. Nel genoma dei primati la famiglia dei geni KZNF è tra quelle a più rapida crescita e si ipotizza che questa espansione sia stata una risposta ai diversi eventi di inserzione di retrotrasposoni che si sono succeduti nel corso dell’evoluzione.
Gli autori, infatti, hanno dimostrato che due geni KZNF, specifici dei primati, si sono rapidamente evoluti per reprimere l’attività di due retrotrasposoni, tuttora attivi nel genoma umano, L1 e SVA. Il gene ZNF91 è emerso nell’antenato comune delle scimmie del Vecchio Mondo e degli umani e, tra 8 e 12 milioni di anni fa, ha subito diverse mutazioni che hanno portato la rispettiva proteina a cambiare la propria struttura, diventando capace di reprimere SVA. Tra 12 e 18 milioni di anni fa, invece, un’altra proteina della stessa famiglia, ZNF93, a causa di mutazioni nel rispettivo di gene, è diventata capace di reprimere L1. Questi eventi hanno innescato una corsa agli armamenti, nel corso della quale la selezione ha agito anche sui retrotrasposoni selezionando quelle mutazioni che li rendono capaci di sfuggire al controllo dei geni repressori. Per esempio, selezionando retrotrasposoni privi delle sequenze riconosciute dai repressori.
Gli autori hanno studiato il comportamento dei due retrotrasposoni all’interno di cellule staminali embrionali di topo, dove non ci sono geni capaci di reprimerli, dimostrando che la trascrizione di questi retrotrasposoni può essere repressa da geni specifici dei primati. Poiché l’azione dei repressori influenza anche i geni vicini, gli autori ipotizzano che questa possa avere contribuito anche all’evoluzione di reti di regolazione dell’espressione genica e che, dunque, la guerra del genoma “verso se stesso” possa averlo spinto verso una maggiore complessità.
Riferimento:
L‘ipotesi della Regina Rossa è ancora oggetto di dibattito e non è l’unico modello capace di descrivere la coevoluzione antagonista, ma coglie un aspetto del gioco di adattamenti e contro-adattamenti che sfocia spesso in quella che è stata definita la “corsa agli armamenti” evolutiva. Non è difficile immaginare lo svolgersi, in natura, di questa guerra permanente tra una preda e un predatore o un parassita e il proprio ospite e, in effetti, questo modello è stato pensato per descrivere l’interazione evolutiva tra questi organismi. Più difficile, forse, è immaginare che qualcosa di simile si sia svolto anche dentro gli esseri viventi, nel cuore del loro genoma.
Il ruolo dell’antagonista, in questo scontro, potrebbero averlo svolto gli elementi trasponibili, sequenze di DNA capaci di “saltare” da un punto all’altro del genoma dove risiedono, anche all’interno della sequenza di un gene. Si stima che il genoma umano sia composto per il 45-50% da elementi trasponibili e percentuali simili si riscontrano anche nel genoma di altri mammiferi. Agli elementi trasponibili appartiene la classe dei retrotrasposoni, come i LINE e i SINE, in grado di spostarsi attraverso un meccanismo “copia e incolla” che prevede la trascrizione di un intermedio a RNA che viene poi retrotrascritto a DNA.
I retrotrasposoni hanno colonizzato il genoma umano molto prima della divergenza tra l’uomo e gli altri primati e, per la loro capacità di spostarsi e inserirsi anche all’interno di geni, potrebbero avere tuttora un ruolo nell’insorgenza di alcune patologie, come le neoplasie del sangue. Ciò ha aperto la strada all’azione della selezione naturale che ha portato, nel nostro genoma, all’emergere di meccanismi difensivi, innescando una corsa alle armamenti con i retrotrasposoni, simile a quella tra preda e predatore.
Ciò trova conferma in una ricerca, pubblicata su Nature, che ha come oggetto una famiglia di geni chiamati KZNF, che contengono l’informazione per la sintesi di proteine che fungono da repressori della trascrizione. Nel genoma dei primati la famiglia dei geni KZNF è tra quelle a più rapida crescita e si ipotizza che questa espansione sia stata una risposta ai diversi eventi di inserzione di retrotrasposoni che si sono succeduti nel corso dell’evoluzione.
Gli autori, infatti, hanno dimostrato che due geni KZNF, specifici dei primati, si sono rapidamente evoluti per reprimere l’attività di due retrotrasposoni, tuttora attivi nel genoma umano, L1 e SVA. Il gene ZNF91 è emerso nell’antenato comune delle scimmie del Vecchio Mondo e degli umani e, tra 8 e 12 milioni di anni fa, ha subito diverse mutazioni che hanno portato la rispettiva proteina a cambiare la propria struttura, diventando capace di reprimere SVA. Tra 12 e 18 milioni di anni fa, invece, un’altra proteina della stessa famiglia, ZNF93, a causa di mutazioni nel rispettivo di gene, è diventata capace di reprimere L1. Questi eventi hanno innescato una corsa agli armamenti, nel corso della quale la selezione ha agito anche sui retrotrasposoni selezionando quelle mutazioni che li rendono capaci di sfuggire al controllo dei geni repressori. Per esempio, selezionando retrotrasposoni privi delle sequenze riconosciute dai repressori.
Gli autori hanno studiato il comportamento dei due retrotrasposoni all’interno di cellule staminali embrionali di topo, dove non ci sono geni capaci di reprimerli, dimostrando che la trascrizione di questi retrotrasposoni può essere repressa da geni specifici dei primati. Poiché l’azione dei repressori influenza anche i geni vicini, gli autori ipotizzano che questa possa avere contribuito anche all’evoluzione di reti di regolazione dell’espressione genica e che, dunque, la guerra del genoma “verso se stesso” possa averlo spinto verso una maggiore complessità.
Riferimento:
Frank M. J. Jacobs, David Greenberg, Ngan Nguyen, Maximilian Haeussler, Adam D. Ewing, Sol Katzman, Benedict Paten, Sofie R. Salama, David Haussler. An evolutionary arms race between KRAB zinc-finger genes ZNF91/93 and SVA/L1 retrotransposons. Nature, 2014; DOI: 10.1038/nature13760
