In un singolo individuo, quasi tutte le cellule somatiche condividono la medesima sequenza del genoma nucleare. Esistono tuttavia eccezioni fisiologiche e patologiche: la ricombinazione somatica nei linfociti, il mosaicismo dovuto a mutazioni post-zigotiche, la variabilità del DNA mitocondriale e le differenze proprie delle cellule germinali. Quando si confrontano i genomi di persone diverse, anche tra parenti stretti, emergono scarti apprezzabili nella sequenza; tali divergenze si amplificano ulteriormente nel paragone tra specie differenti. È proprio questa eterogeneità del DNA a fondare la biodiversità, dalle sottili variazioni fenotipiche all’interno dell’uomo (Figura 04.01-01) fino alle distanze marcate che distinguono gruppi tassonomici lontani. Nonostante tutta la vita oggi osservabile derivi con alta probabilità da un antenato universale, verosimilmente una cellula vissuta oltre 3,5 miliardi di anni fa, le sequenze genomiche hanno accumulato nel tempo differenze che spiegano la varietà biologica contemporanea. L’origine di tali differenze risiede in processi molecolari che introducono novità nella sequenza, nella riorganizzazione del materiale genetico e nella successiva filtrazione delle varianti da parte delle forze evolutive. 

Le principali fonti di nuova variazione comprendono:

• mutazioni puntiformi e piccoli inserimenti/delezioni, dovuti a errori di replicazione o a danni al DNA non completamente corretti;
• ricombinazione meiotica e crossing-over, che rimescolano alleli e creano combinazioni geniche inedite;
• duplicazioni geniche e ampliamenti su larga scala, fino a duplicazioni dell’intero genoma, con esiti di neofunzionalizzazione, subfunzionalizzazione o perdita di funzione;
• riarrangiamenti strutturali, come inversioni, traslocazioni e variazioni del numero di copie;
• nascita de novo di geni a partire da regioni precedentemente non codificanti;
• trasferimento genico orizzontale, frequente nei procarioti e sporadicamente documentato anche in eucarioti, inclusa l’introgressione tra popolazioni o specie affini;
• elementi genetici mobili (trasposoni a DNA e retrotrasposoni) e virus, capaci di spostare o inserire sequenze e di rimodellare l’architettura genomica.

La persistenza o l’eliminazione di tali varianti è determinata dall’interazione tra selezione naturale, deriva genetica, migrazione e mutazione, sotto vincoli imposti da pleiotropia, epistasi e collegamento genetico. La selezione depurativa elimina mutazioni deleterie, quella positiva favorisce innovazioni vantaggiose, mentre forme di selezione bilanciante possono mantenere polimorfismi in equilibrio. La teoria neutrale e quasi neutrale chiarisce perché molte sostituzioni si comportino come selettivamente equivalenti, consentendo l’uso di orologi molecolari e approcci coalescenti per inferire tempi ed eventi evolutivi. Schemi come sweep selettivi, background selection e linkage disequilibrium lasciano impronte riconoscibili nelle sequenze contemporanee, dalle quali è possibile risalire ai processi che le hanno prodotte.

I progressi nelle tecnologie di sequenziamento e di analisi computazionale hanno reso osservabili tali fenomeni su scala genomica. Dalla dissezione di genomi estremamente compatti, come quelli dei tetraodontidi, fino a quelli complessi dell’uomo, le piattaforme ad alto rendimento, le letture lunghe, gli assemblaggi di nuova generazione, la genomica a singola cellula e il recupero di DNA antico consentono di ricostruire sintegnie, identificare varianti strutturali e stimare tassi evolutivi con precisione sempre maggiore. Confronti sistematici tra genomi, trascrittomi ed epigenomi permettono di collegare cambiamenti nella sequenza a funzioni molecolari e tratti fenotipici, riducendo il divario tra genotipo ed emergenza del carattere.

Gli elementi genetici mobili occupano porzioni sostanziali di molti genomi e agiscono come motori di innovazione e riorganizzazione. Essi possono promuovere esoni alternativi, fornire nuovi promotori o enhancer, e generare ripetizioni che facilitano ricombinazioni non alleliche. I virus, oltre al loro ruolo patogenetico, fungono da vettori di materiale genetico e hanno lasciato tracce endogene stabili nei genomi eucariotici, con conseguenze regolative e, talvolta, adaptive.

Le analisi del genoma umano mostrano milioni di polimorfismi a singolo nucleotide, inserzioni/delezioni e variazioni del numero di copie, distribuiti in modo non uniforme tra popolazioni. Tali pattern riflettono espansioni demografiche, colli di bottiglia, dispersioni geografiche e scambi di geni con linee arcaiche, come Neanderthal e Denisova. Dalle sequenze ottenute in individui di tutto il mondo emergono informazioni sui percorsi migratori, sull’adattamento a climi, diete e patogeni, e sulle basi genetiche della variabilità nella risposta a farmaci e malattie. Insieme, queste evidenze collegano la storia evolutiva della nostra specie ai meccanismi molecolari che, a partire da un’origine comune, hanno generato la complessità biologica osservabile oggi.

Image Gallery

Unità e diversità umana

Piccole differenze nella sequenza del DNA sono all’origine delle variazioni nell’aspetto tra individui diversi. Un gruppo di studenti e studentesse inglesi rappresenta bene le caratteristiche che illustrano, allo stesso tempo, l’unità biologica e la diversità della specie umana.

Immagine tratta liberamente da Internet. Se viola i tuoi diritti, contattaci.