Che rapporto c’è tra le conoscenze sui viventi acquisite nell’era della post-genomica e le teorie dell’evoluzione? Che cosa si è scoperto a livello molecolare sui meccanismi che hanno dato origine alla varietà degli organismi che oggi popolano la Terra? Soprattutto nei testi scolastici, la questione viene risolta affermando semplicemente che l’evoluzione molecolare ricalca e conferma quella ipotizzata da Darwin per le specie. Alla luce dei più recenti sviluppi della biologia molecolare, questo contributo ripropone il problema in tutta la sua reale profondità. Presentando punti nodali acquisiti o ancora irrisolti degli aspetti molecolari dei viventi e della loro storia evolutiva, esso invita a un livello di comprensione a cui si può tendere solo accettando la sfida della complessità che caratterizza la vita.
La storia della vita sulla Terra appare a noi, quando tentiamo di ricostruirla, come un lentissimo ma inarrestabile dipanarsi di forme materiali diversissime fra loro, ma tutte fondate su di una comune logica molecolare. Per questo, l’indagine scientifica incentrata sulla tessitura molecolare dei sistemi viventi ha dato, negli ultimi cinquant’anni, contributi enormi alla comprensione della dinamica dei processi evolutivi. Lo scenario che sta prendendo forma, soprattutto a seguito dei recenti sviluppi della biologia post-genomica, offre risposte soddisfacenti a molti interrogativi fondamentali ma, nello stesso tempo, sconcerta per la profondità delle nuove prospettive che schiude al nostro sguardo.
Che cosa ci raccontano le macromolecole biologiche
Ci sono, come è evidente, differenze enormi fra un essere umano e un moscerino, fra un topo e il lievito di birra, fra una gallina e una pianta di tabacco. Ma – ed è uno dei fatti più grandiosi e sorprendenti della biologia – gli apparati macromolecolari che plasmano e costituiscono la tessitura intima di ogni cellula di questi esseri viventi, e che garantiscono la loro perpetuazione attraverso i millenni, presentano fra di loro un impressionante grado di somiglianza.
Consideriamo, come macromolecola esemplificativa, un tRNA (transfer RNA). Tutte le cellule di tutti i viventi possiedono almeno una quarantina di tRNA diversi, i quali hanno il delicato compito di riconoscere chimicamente le triplette nucleotidiche successive degli RNA messaggeri (mRNA), posizionando in modo ordinato i corrispondenti amminoacidi durante la sintesi delle proteine.
Nell’immagine seguente sono mostrate le sequenze nucleotidiche di un particolare tRNA, il tRNAAla(UGC) (cioè il tRNA che posiziona l’amminoacido alanina in corrispondenza della tripletta GCA sul mRNA), così come lo si ritrova nella patata, nell’uomo, nel lievito e in un batterio dell’aceto.
Allineamento delle sequenze nucleotidiche del tRNAAla(UGC) di patata (S. tuberosum), uomo (H. sapiens), lievito di birra (S. cerevisiae) e un batterio dell’aceto (A. aceti). Il grado di conservazione dei singoli residui nucleotidici è evidenziato in nero (residuo invariante), grigio scuro, grigio chiaro o bianco.
Si constata che i tRNAAla(UGC) di questi organismi presentano una elevatissima somiglianza.
Nell’immagine successiva vengono invece confrontate le sequenze amminoacidiche, riscontrate in un gruppo altrettanto eterogeneo di organismi, di una particolare proteina, l’istone H4, che svolge un ruolo fondamentale nell’organizzazione del DNA all’interno del nucleo delle cellule eucariotiche.
Allineamento delle sequenze amminoacidiche dell’istone H4 di pisello (Pisum sativum), uomo, lievito e ape (Apis mellifera)
Qui la somiglianza fra le proteine dei diversi organismi è addirittura schiacciante.
Passando a sistemi più complessi delle singole macromolecole, è ben noto che il codice genetico stesso, cioè la impressionante tavola di corrispondenze fra triplette nucleotidiche degli acidi nucleici e i venti amminoacidi costitutivi delle proteine, è universale, cioè sostanzialmente invariato in tutti gli organismi conosciuti!
Che cosa significano tali omologie fra organismi che sono diversissimi sul piano morfologico? L’idea a cui decisamente conduce l’osservazione delle proteine e degli acidi nucleici nelle più diverse forme di esseri viventi – osservazione divenuta straordinariamente penetrante negli ultimi 15 anni grazie al sequenziamento completo di un numero sempre crescente di genomi, è quella di un’origine comune di tutti gli organismi.
| GENOMA Con questo termine si intende l’insieme delle informazioni genetiche, caratteristiche di ogni specie, che possono essere duplicate e trasmesse da una cellula alla sua discendente. Chimicamente, un genoma è costituito da una o più macromolecole di acido desossiribonucleico (DNA), per una lunghezza complessiva che può variare di più di mille volte. Il genoma dei virus può anche essere costituito da acido ribonucleico (RNA). Un formidabile punto di partenza per lo studio di un genoma è la conoscenza della sua sequenza nucleotidica, alla quale si può giungere mediante procedure, sempre più automatizzate e veloci, di sequenziamento del DNA genomico. Attualmente, si conoscono le sequenze genomiche complete di centinaia di organismi, incluse quelle di numerosi Mammiferi e di molti microrganismi patogeni. Si veda il sito: |
Nel contempo, però, vengono rivelate in molti casi divergenze anche profonde nell’assetto molecolare dei diversi viventi. Nei mammiferi e nell’uomo, per esempio, ci sono molte proteine che non esistono nel lievito, e molte altre per cui la somiglianza appare vaga, oppure limitata a tratti molto brevi delle proteine stesse. L’osservazione, ripetuta ormai per migliaia di proteine in centinaia di organismi diversi, di gradi diversi di somiglianza nell’ambito di una riconosciuta omologia – somiglianza spesso tanto maggiore quanto più affini morfologicamente appaiono gli organismi – trova la più elegante spiegazione in un quadro di evoluzione macromolecolare che avrebbe accompagnato, e in larga misura anche generato, i cambiamenti evolutivi riscontrabili a livello macroscopico negli esseri viventi del presente e del passato.
Tali proteine hanno un’origine molto antica, e la loro funzione (il legame e il trasporto dell’ossigeno all’interno dell’organismo) è essenziale negli organismi pluricellulari di una certa complessità. In particolare la mioglobina immagazzina ossigeno nelle cellule muscolari, l’emoglobina, composta di quattro catene uguali due a due (due a e due ß), trasporta ossigeno nel sangue.
In base al confronto delle sequenze amminoacidiche e a evidenze paleontologiche indipendenti è stata formulata l’ipotesi dell’orologio molecolare (molecular clock), proposta da Linus Pauling e altri scienziati negli anni Sessanta del XX secolo. Essa si può enunciare nel modo seguente: «per una data proteina, il tasso di evoluzione molecolare (= mutazioni accumulate per unità di tempo) è approssimativamente costante in tutte le linee evolutive». Ciò ha portato a ricostruire alberi evolutivi come quello mostrato sopra. Nel caso delle globine il tasso evolutivo è pari all’1% dei residui ogni 5.8 milioni di anni; dunque, se due sequenze divergono del 60%, ciò significa, secondo l’ipotesi, che la divergenza data a 60 x 5.8 = 348 milioni di anni fa. Questi stessi studi hanno tuttavia indicato che tra proteine diverse il tasso evolutivo può di”erire in modo drastico (una variazione di sequenza dell’1% può infatti richiedere un tempo compreso tra 1 e 20 milioni di anni, a seconda dei casi).
Ciò sembra dovuto al fatto che proteine diverse possiedono una differente frazione di amminoacidi che tollera mutazioni senza la compromissione della funzione.
Sebbene questa teoria sia stata sottoposta a qualche critica negli aspetti di dettaglio, nelle sue linee essenziali è oggi generalmente accettata, e grazie a essa è possibile stabilire la data approssimativa in cui ha avuto luogo la divergenza evolutiva delle diverse specie e, di conseguenza, delle proteine che ciascuna di esse possiede. Ma l’aspetto che maggiormente colpisce nel confronto di proteine correlate nella sequenza, come è il caso delle globine, è il fatto che la loro struttura tridimensionale è virtualmente identica, indipendentemente dalla distanza cronologica dell’evento evolutivo che secondo l’ipotesi ha portato alla loro separazione. Ciò rappresenta l’evidenza più schiacciante del fatto che tutte queste proteine derivano da un’unica molecola progenitrice a seguito di un processo evolutivo che le ha differenziate in diversa misura le une dalle altre.
Questo esempio documenta con grande evidenza che è proprio al livello molecolare che si possono comprendere al meglio i meccanismi che stanno alla base del processo evolutivo. Ciò sarà illustrato in maggior dettaglio nelle sezioni successive.
Le basi molecolari dell’ereditarietà e dell’evoluzione
Non c’è evoluzione senza ereditarietà – cioè senza possibilità di trasferimento fedele di informazioni da una generazione alla successiva – e senza la comparsa continua di variazioni nelle informazioni trasferite.
Nell’universo biologico, il sistema fondamentale di trasferimento transgenerazionale delle informazioni è quello genetico (anche se, come discusso in una sezione successiva, si possono individuare importanti dimensioni non genetiche dell’ereditarietà). A coronamento dei molti sforzi tesi a svelare il meccanismo del trasferimento genetico di informazioni, attorno alla metà del XX secolo fu chiaro dove questo andasse innanzitutto cercato: nel DNA e nella sua duplicazione, cioè nella possibilità che esso ha di dirigere la sintesi di nuove molecole identiche a sé [1, 2].
Il DNA come molecola dell’informazione genetica ereditabile
Il DNA, come rivelato dal suo utilizzo nei sistemi viventi, è realmente una molecola straordinaria: da un lato esso può contenere, ultimamente scritti nella sua sequenza nucleotidica, i diversi livelli di informazione che sono fondamentali per la formazione, l’auto-mantenimento e il funzionamento di cellule e organismi; dall’altro, come ricordato, esso può propagarsi identico da una generazione all’altra a livello sia cellulare sia di organismo.
L’informazione contenuta nel DNA si attualizza in funzioni precise mediante i processi biochimici di trascrizione e di traduzione.
La trascrizione genera molecole di RNA la cui sequenza nucleotidica è complementare a quella di un tratto di DNA che funge da stampo. Esistono molti tipi diversi di molecole di RNA. La classe più numerosa è costituita dagli mRNA, la cui funzione è strettamente connessa al processo di traduzione. In questo processo, una molecola di mRNA viene letta come serie di triplette nucleotidiche, a ognuna delle quali corrisponde, secondo il codice genetico universale, uno e uno solo dei venti amminoacidi.
Il prodotto della traduzione è quindi una proteina la cui sequenza amminoacidica corrisponde alla sequenza di triplette nucleotidiche dell’mRNA e, di rimando, alla sequenza del DNA originariamente trascritta in mRNA. Ciò che avviene, in definitiva, è che una particolare «lettura» chimica di una sequenza di DNA «esprime» una proteina, cioè un polimero di tutt’altra natura: questa è l’acrobazia chimica, innumerevoli volte ripetuta, su cui poggia l’esistenza di ogni vivente. Le proteine, infatti, sono a fondamento di ogni struttura e attività biologica.
L’insieme dei passaggi che conducono dal DNA alla proteina viene spesso chiamato espressione genica, intendendosi comunemente per gene la porzione di DNA che può esprimere una proteina. E il gene, naturalmente, è anche un pacchetto discreto, un «quanto» di informazione genetica che può essere trasferito da una generazione all’altra. E, fatto tanto raro quanto importante, ogni gene può subire alterazioni della sua sequenza nucleotidica – mutazioni – che possono essere trasferite alle generazioni successive, le quali possono così acquisire la capacità di esprimere proteine ad alterata sequenza e funzionalità (vedi anche la sezione successiva).
Considerando che nelle cellule di ogni vivente possono essere espresse migliaia di proteine diverse (circa 6000 nel lievito di birra, almeno 30000 nell’uomo), e che tutti i corrispondenti geni possono andare incontro a mutazione, si riesce facilmente a immaginare uno scenario caratterizzato da un numero pressoché infinito di diversi patrimoni genici, e quindi proteici. All’interno di tale scenario, la selezione naturale imporrebbe una maggiore propagazione transgenerazionale di alcuni arsenali genici/proteici rispetto ad altri, e questo sarebbe l’innesco originario di ogni cambiamento evolutivo.
Il cambiamento delle frequenze geniche nell’ambito delle singole popolazioni, mediato dalla selezione generazione dopo generazione, è stato e viene continuamente messo in evidenza dalla genetica di popolazioni. Tuttavia, un problema molto dibattuto è se l’intera storia evolutiva dei viventi, come la conosciamo grazie soprattutto alla dimensione di profondità temporale fornita dalla paleontologia, possa essere dedotta in modo soddisfacente dall’azione della selezione naturale sulla variazione genetica disponibile [3].
La selezione naturale, infatti, non si attua su genomi, ma su organismi; il substrato della selezione – e quindi dell’evoluzione – sono i fenotipi, piuttosto che i genotipi. Ed è noto che l’evoluzione fenotipica può procedere in modo fortemente disgiunto dal modo in cui procede la variazione delle sequenze genomiche. Gli anfibi e i mammiferi, per esempio, derivano da un progenitore acquatico comune. Sebbene la velocità di accumulazione delle mutazioni sia la stessa nei genomi di an!bi e mammiferi, i primi si sono evoluti molto più lentamente dei secondi. In altri termini, l’evoluzione molecolare è stata simile nei due gruppi, mentre l’evoluzione fenotipica è stata molto diversa [4].
Le basi molecolari della variazione genetica
Quali sono gli eventi molecolari in grado di generare, a livello dell’informazione contenuta nel DNA, quella varietà necessaria perché si possa avere una selezione naturale?
Agli inizi del XX secolo, lo studio della gametogenesi e della meiosi, e in particolare del processo di ricombinazione del materiale genetico (crossing over) che avviene durante la meiosi, suggerirono come sempre nuove variazioni del patrimonio genico potessero essere realizzate nell’ambito di una popolazione.
Fu presto chiaro, tuttavia, che in assenza di altri fattori tale ricombinazione non sarebbe in grado di cambiare significativamente il pool genetico di una popolazione. La fonte primaria e indispensabile di ogni novità e variazione genetica è un’altra: la mutazione, la quale può essere fissata nell’avventura temporale di una specie se avviene nelle cellule della linea germinale e non produce svantaggi all’individuo che la porta.
La possibilità di mutazione è intrinseca alle caratteristiche biochimiche del DNA. Le mutazioni possono innanzitutto presentarsi come conseguenze di alterazioni chimiche del DNA, che ne modificano la sequenza. Tali alterazioni possono essere spontanee, o causate da agenti chimico-fisici esterni, oppure anche da molecole generate nel corso di processi fisiologici. Ma le mutazioni possono insorgere anche come errori durante i processi biochimici che interessano il DNA: errori di copiatura durante la replicazione del DNA; mancata separazione di cromosomi che può portare a duplicazioni genomiche totali o parziali; varie tipologie di eventi ricombinativi, quali la duplicazione di segmenti di DNA e la trasposizione, che sono noti aumentare la probabilità di generazione di nuovi geni.
Malgrado la diversità dei meccanismi ipotizzati per questi processi, il loro risultato è sempre quello di aumentare la complessità genica degli organismi. In particolare, mediante eventi di «crossing over ineguale», si possono originare nuovi geni identici a geni pre-esistenti, i quali poi possono trasformarsi, mediante mutazioni successive, in nuovi geni a funzione distinta. È così che si sono generate, per esempio, le famiglie dei geni per le globine, o per le proteine homeobox che regolano i processi di sviluppo e differenziamento di moltissimi organismi pluricellulari. Mediante simili eventi ricombinativi possono essere generate anche combinazioni sempre nuove di un numero relativamente piccolo di diversi segmenti di DNA corrispondenti a precisi domini funzionali di proteine.
Questi processi di riassortimento di domini, globalmente definiti domain shuffling o exon shuffling, sono all’origine della grandissima varietà di proteine modulari di cui sono ricchi gli eucarioti superiori [5, 6].
| All’osservazione della loro struttura tridimensionale, molte proteine appaiono come un’unica entità globulare. Altre proteine appaiono composte da diverse entità globulari unite l’una all’altra da tratti estesi e ad andamento irregolare. Ciascuna entità globulare è detta dominio, una traduzione approssimativa del termine inglese domain. Nelle proteine composte di molteplici domini ciascuno di essi si fa carico di un compito specifico nell’ambito della funzione complessiva. Dunque la struttura a dominio si può definire modulare, dove i singoli moduli sono appunto i domini. A titolo esemplificativo la piruvato chinasi è un enzima glicolitico che catalizza la formazione del piruvato: esso consiste di un dominio regolatorio, un dominio che lega una delle due molecole partecipanti alla reazione (il fosfoenolpiruvato) e un dominio che lega l’altro reagente (l’ADP). |
Pur essendo l’unica fonte di vera novità nei genomi, l’instabilità biochimica del DNA costituisce una continua minaccia per la sopravvivenza degli individui e per il perdurare stesso della vita. Per questo tutti i viventi, dai batteri all’uomo, possiedono sofisticati sistemi enzimatici preposti alla riparazione del DNA danneggiato o alterato. Tali sistemi si basano su dispositivi molecolari per il riconoscimento del danno (per esempio una rottura a singolo o doppio filamento del DNA, oppure l’introduzione in un !lamento di un nucleotide non complementare al !lamento stampo), a cui fa seguito la messa in atto di processi cellulari che culminano nella riparazione del danno.
Evolvibilità: una questione aperta
È vertiginoso pensare a come la varietà dei viventi e il loro perdurare poggino sulla instabilità del DNA nei sistemi cellulari e, nello stesso tempo, sulla sua stabilità, e come quest’ultima poggi a sua volta su funzioni di riparazione che sono codificate nella sequenza stessa del DNA!
La vertigine diviene ancora più grande qualora si consideri la possibilità che la comparsa stessa delle mutazioni sia un processo non totalmente accidentale, ma in qualche modo regolato dall’organismo stesso.
È ben noto che, durante lo sviluppo delle cellule del sistema immunitario, le sequenze di DNA contenute nei geni degli anticorpi subiscono tagli, trasferimenti, giunzioni con altre sequenze al fine di generare una grandissima varietà di possibili sequenze, e quindi di possibili anticorpi.
Questo esempio suggerisce che le mutazioni – materia prima dell’evoluzione – possono verificarsi come risultato non solo di eventi casuali, ma anche di programmi cellulari specifici e controllati, attivati – per esempio – in risposta a particolari stimoli ambientali. La possibilità di una ristrutturazione controllata del patrimonio genetico, cioè di una regolazione della fluidità dei genomi, è direttamente connessa all’idea, affascinante, che anche la capacità di evolvere debba poter essersi evoluta [7].
Ci sembra opportuno sottolineare, a questo punto, come l’insieme di tutte le nostre conoscenze – in molti casi estremamente dettagliate – sulle basi molecolari dell’ereditarietà e della generazione della diversità genetica siano ancora largamente insufficienti a spiegare come sia stata e sia generata quella prodigiosa innovazione morfologica, quel fiorire incessante di forme che è da sempre l’aspetto più provocatorio della storia della vita sulla Terra.
Come è stato innescato, e secondo quali leggi si è snodato innumerevoli volte, il processo di generazione di nuove forme viventi?
Secondo la cosiddetta Sintesi Moderna, che rappresenta il paradigma corrente della moderna biologia evoluzionistica [8], l’evoluzione dei fenotipi è innanzitutto un risultato dell’azione della selezione naturale, mentre la generazione di forme su cui la selezione agisce tende a essere considerata come condizione che è sì necessaria, ma priva di influenza sulla direzione dell’evoluzione.
Tuttavia, l’idea che la selezione naturale sia l’unica forza-guida dell’evoluzione viene attualmente messa in discussione da esponenti di uno specifico e vasto campo di ricerca biologica, che si è rivelato estremamente produttivo negli ultimi vent’anni: la biologia evoluzionistica dello sviluppo (comunemente abbreviata in evo-devo).
I ricercatori in ambito evo-devo pongono l’accento sul fatto che le caratteristiche specifiche dei processi di sviluppo degli organismi pluricellulari devono aver giocato un ruolo fondamentale nella generazione della diversità di forme viventi. Per usare le parole di un suo autorevole esponente: «evo-devo sposta l’attenzione della spiegazione evoluzionistica da ciò che è esterno e contingente a ciò che è interno e inerente; postula che la base causale della forma fenotipica non risieda nella dinamica di popolazione, oppure nell’evoluzione molecolare, ma piuttosto in proprietà che sono intrinseche alle dinamiche di sviluppo degli organismi» [9].
Limiti della visione gene-centrica della vita e dell’evoluzione
Grazie alla sua semplicità concettuale e di applicazione, lo schema
«un gene → una proteina → una funzione»
è stato ed è tuttora molto accattivante, e quindi largamente impiegato per dipingere e comunicare scenari dell’organizzazione dei viventi e della loro evoluzione.
Ancora oggi, tuttavia, esso è in grado di generare e promuovere visioni improntate a un determinismo genetico/biologico della vita umana che appaiono tanto ottimisticamente ingenue quanto risuonarono drammaticamente inattendibili in alcune grandi coscienze del XIX secolo.
Si tratta, in realtà, di uno schema riduttivo il quale, se applicato dogmaticamente, finisce col generare scenari fuorvianti, per diverse ragioni che qui riassumiamo, limitandoci agli aspetti molecolari della questione.
| È interessante a questo proposito confrontare gli scenari possibili, derivanti dalla conoscenza scientifica dell’uomo, tratteggiati dal famoso biologo cellulare Harvey F. Lodish nel 1995 e da Fëdor Dostoevskij nel 1864. Dichiara Lodish: «Lo screening genetico pre-impianto degli embrioni può divenire presto routine. […] le predizioni riguardo alla struttura e alla funzione delle proteine saranno abbastanza accurate da rendere possibile dedurre, in maniera automatica, le proprietà rilevanti di molti peptidi importanti, così come la regolazione della loro espressione (quanta proteina, ad esempio, verrà prodotta nel corso di una particolare fase dello sviluppo di un determinato tessuto o tipo di cellula) a partire dalla sequenza del solo DNA del genoma. Tutte queste informazioni verranno trasferite a un supercomputer, insieme con notizie di carattere ambientale, tra cui probabilmente l’alimentazione, le tossine ivi presenti, la luce solare e così via. Ciò si tradurrà in un film a colori, che vedrà l’embrione svilupparsi in un feto, venire alla luce e quindi crescere fino a diventare adulto, evidenziando […] le proprie dimensioni e forme corporee, il colore dei capelli, della pelle e degli occhi. Alla fine la sequenza di DNA sarà estesa a coprire geni rilevanti per caratteri quali la parola e le doti musicali; la madre potrà sentire parlare o cantare l’embrione come se fosse già una persona adulta (Lodish H.F. 1995, Science, vol. 267, p. 1609; cit. in E. Jablonka e M. Lamb (2007) L’evoluzione in quattro dimensioni, UTET, Torino). Tutt’altro è il tono del personaggio del sottosuolo, più di un secolo prima: «[…] allora, dite voi, la scienza stessa insegnerà all’uomo […] che in realtà egli non ha né ha mai avuto né volontà né capriccio, e che anche lui non è nulla più che una specie di tasto di pianoforte o di una puntina d’organetto; e che inoltre ci sono al mondo anche le leggi naturali; cosicché, qualunque cosa egli faccia, avviene non già per il suo volere, ma di per sé, secondo le leggi naturali. Per conseguenza, queste leggi naturali basta scoprirle, che l’uomo non risponderà più delle sue azioni, e vivere gli sarà straordinariamente facile. Tutte le azioni umane, va da sé, allora saranno calcolate secondo queste leggi, matematicamente, sul tipo di una tavola di logaritmi fino a 108000, e inscritte nel calendario; o, meglio ancora, compariranno delle pubblicazioni benpensanti, sul tipo degli odierni dizionari enciclopedici, in cui tutto sarà enumerato e segnato in modo così preciso che nel mondo non ci saranno più né azioni né avventure.» (F. Dostoevskij, Memorie del sottosuolo, Torino 1942). |
Le sorprese dell’RNA
Innanzitutto – e questo è noto da più di mezzo secolo – alcune funzioni cellulari basilari, come la traduzione stessa, coinvolgono svariate molecole di RNA (per esempio rRNA, tRNA, piccoli RNA nucleolari, o snoRNA) che vengono generate mediante trascrizione del DNA, ma non vengono tradotte in proteine, in quanto agiscono come tali.
In altri termini, gli mRNA sono solo una piccola parte del trascrittoma, che include molte altre tipologie di RNA.
Per tenere conto di questi RNA (che vengono definiti ncRNA, per non-protein-coding RNA), occorre uno schema modificato:
«un gene → una proteina/un ncRNA → una funzione».
La rilevanza di questa modificazione dello schema appare ogni giorno più grande, poiché è sempre maggiore il numero di diversi ncRNA che vengono scoperti svolgere funzioni importanti nelle cellule.
| Con questo termine si intende generalmente l’insieme degli RNA che vengono prodotti mediante trascrizione, e successivo processamento post-trascrizionale, a partire da un genoma. Mentre il genoma non cambia da una cellula all’altra dello stesso organismo, e durante le diverse condizioni e fasi di vita di una cellula, il trascrittoma è estremamente dinamico. I profili di trascrizione di un genoma, infatti, cambiano profondamente da un tipo cellulare all’altro, da una condizione ambientale all’altra, da una fase all’altra della vita di una cellula. Esiste, pertanto, un numero elevatissimo di possibili trascrittomi derivanti da un singolo genoma. I trascrittomi possono essere studiati mediante l’utilizzo della tecnologia dei DNA microarrays, che permette di stabilire ad altissima risoluzione i livelli dei trascritti corrispondenti a ogni singola regione del genoma, o, più recentemente, mediante potenti strategie di sequenziamento di nuova generazione (il cosiddetto deep sequencing). |
Migliaia di specie di ncRNA sono state scoperte negli ultimi anni. Alcuni sono RNA di soli 20-25 nucleotidi (denominati per questo microRNA o miRNA) che operano nella modulazione del processo di traduzione appaiandosi a regioni complementari sulla molecola di mRNA, come mostrato nell’immagine seguente. Molte altre specie di RNA sono di grandi dimensioni e a funzione sconosciuta.
I miRNA si appaiano in modo imperfetto a una regione parzialmente complementare dell’mRNA bersaglio, causando un’inibizione della traduzione dell’mRNA.
Vastissime regioni di DNA che fino a poco tempo fa si consideravano silenti dal punto di vista dell’espressione, si sono rivelate sedi di attiva trascrizione, con produzione di innumerevoli nuove specie di RNA alle quali solo ora cominciano a essere attribuite funzioni di grande rilevanza, per esempio nei diversi livelli di organizzazione del genoma.
| Nel 2007 sono stati pubblicati dalla rivista Nature i risultati della fase pilota dell’ambizioso progetto ENCODE (encyclopaedia of DNA elements), il cui fine è identificare nel genoma umano ogni sequenza di DNA con proprietà funzionali. Lo studio iniziale, che ha coinvolto un grande numero di ricercatori di circa 80 laboratori, ha studiato in dettaglio, attraverso una molteplicità di approcci molecolari, l’1% del genoma umano (corrispondente a una sequenza di circa 30 milioni di nucleotidi, o 30 megabasi), generando e analizzando nel complesso circa 600 milioni di dati sperimentali. Ciò che è emerso è l’esistenza di una trascrizione pervasiva che genera un complesso network di trascritti fra loro interconnessi, di profonde interazioni funzionali fra processi diversi come la trascrizione e la replicazione del DNA, e di numerosissime sequenze che devono essere catalogate come funzionalmente importanti, anche se la loro funzione è sconosciuta. Sorprendentemente, molti elementi funzionali rivelati da ENCODE sembrano non aver subito costrizioni nel corso dell’evoluzione dei Mammiferi. Questa osservazione suggerisce l’esistenza, nei genomi, di un largo bacino di elementi neutrali che sono biochimicamente attivi, ma non producono specifici vantaggi all’organismo! [The ENCODE Project Consortium (2007) Identification and analysis of functional elements in 1% of the human genome by the ENCODE pilot project. Nature 447, 799-816] |
Basti pensare che i geni che vengono espressi in proteine costituiscono meno del 2% del genoma umano.
Eppure, per ragioni ancora sconosciute, la maggior parte del nostro genoma è trascritto in RNA.
Ora, l’esistenza di migliaia di prodotti genici che non sono proteine dovrebbe persuaderci a limitare sempre meno a queste ultime i criteri del nostro approccio all’evoluzione molecolare e ai fondamenti molecolari della vita.
In particolare, siamo spinti a chiederci: in che misura le mutazioni che alterano gli ncRNA contribuiscono alla generazione della diversità su cui opera la selezione naturale? Ma gli studi recenti di trascrittomica, unitamente alle aumentate conoscenze sul processo di splicing dell’RNA, hanno reso inaspettatamente difficile la definizione stessa di gene in termini molecolari.
È noto da decenni che in quasi tutti gli eucarioti, incluso l’uomo, le proteine hanno origine in molti casi dalla trascrizione di geni discontinui, in cui brevi tratti di sequenza nucleotidica che verranno tradotti in proteina (detti esoni), si alternano a tratti anche molto lunghi di sequenza (gli introni) che non risulteranno inclusi nell’mRNA e quindi non saranno tradotti. Il processo di rimozione degli introni e ricomposizione degli esoni a generare l’mRNA maturo viene indicato con il termine splicing. Ora, in moltissimi casi, per una stessa sequenza trascritta esistono modalità alternative con cui gli esoni possono essere ricomposti, e quindi esistono numerose varianti proteiche generate mediante splicing alternativo.
È noto l’esempio di una sequenza trascritta del genoma di pollo che possiede 576 varianti alternative di ricomposizione degli esoni, e la cui espressione può quindi generare altrettante varianti proteiche!
Occorre notare, inoltre, che lo splicing alternativo riguarda anche la generazione di ncRNA, rendendone ancora più difficile la comprensione. Così, lo schema del passaggio dall’informazione genetica alla funzione dovrebbe diventare:
«un gene → n proteine/n ncRNA → n funzioni»
Dove n può essere facilmente un numero dell’ordine delle centinaia. A complicare ulteriormente il quadro, si stanno scoprendo sempre più numerosi esempi della cosiddetta trascrizione antisenso.
Data una sequenza di DNA, tipicamente codificante per n varianti proteiche dovute a splicing alternativo, si rilevano molto spesso molecole di RNA espresse mediante trascrizione del filamento opposto del DNA. Gli RNA antisenso così generati si possono appaiare agli RNA «senso», o al filamento di DNA complementare, formando degli ibridi RNA:RNA o RNA:DNA che possono avere effetti molteplici sull’espressione stessa del DNA da cui originano. Anche i trascritti antisenso, poi, possono subire splicing alternativo. Ma non è tutto: alcune molecole di RNA prodotte nelle cellule hanno una sequenza nucleotidica che include tratti corrispondenti a segmenti di sequenza genomica fra di loro lontanissimi, come se il «gene» corrispondente a questi RNA fosse in realtà un’entità composita fisicamente frammentata e dispersa nella vastità del genoma! [10].
Che quadro emerge dall’osservazione di questi fatti nuovi, di questi scenari che sarebbero parsi inverosimili !no a pochi anni fa?
Innanzitutto, è necessario prendere atto che ogni tratto di DNA può essere letto in più di un modo, ed esprimere quindi più di una macromolecola funzionale. Va in questa direzione un’autorevole (e difficoltosa) definizione in termini molecolari di «gene» proposta molto recentemente: «Un gene è una unione di sequenze genomiche codificante per un insieme coerente di prodotti funzionali potenzialmente sovrapposti.» [11].
Come conseguenza, ogni singola mutazione del DNA può avere ripercussioni su molteplici macromolecole tutte derivanti dall’espressione del DNA mutato, e quindi su tutti i processi e le funzioni in cui queste macromolecole sono coinvolte.
| Questo termine indica l’insieme delle proteine prodotte a partire da un determinato genoma, mediante i processi di trascrizione e successiva traduzione del mRNA. Come il trascrittoma, anche il proteoma è estremamente dinamico, essendo i processi di trascrizione e traduzione profondamente regolati in risposta ai più diversi stimoli. Inoltre, ogni proteina è soggetta a numerose possibili modificazioni post-traduzionali (come fosforilazioni, glicosilazioni, ecc.) che ne modificano la struttura e la funzione, cosicché possono esistere in ogni cellula numerose e diverse forme modificate della stessa proteina. In altri termini, dalla espressione di un gene codificante per una sola proteina, cioè per una sola sequenza amminoacidica, possono in ultima analisi prodursi n molecole proteiche che differiscono fra loro per la presenza o assenza di gruppi chimici sostituenti su particolari amminoacidi. La proteomica, cioè la recente branca della biochimica che si occupa dello studio su larga scala dei proteomi, si basa in larga misura sui moderni sviluppi della spettrometria di massa in combinazione con la disponibilità sempre crescente di sequenze genomiche complete. |
Entra in scena l’interattoma
Ma lo schematismo riduttivo «un gene → una proteina → una funzione» vacilla non solo a causa delle nostre aumentate conoscenze sul continente sommerso del ncRNA. Negli ultimi dieci anni è emerso con evidenza sempre maggiore che le funzioni biologiche di un organismo non sono la semplice sommatoria delle funzioni di cui le singole molecole – in particolare le proteine – si fanno carico. Al contrario, sta diventando sempre più chiaro che le proteine realizzano le loro funzioni per lo più cooperando tra di loro mediante una rete estremamente complessa di interazioni, ciascuna delle quali attuata mediante il legame fisico di una proteina all’altra.
Ciascuno di questi eventi di legame porta all’attivazione o all’inibizione di specifiche funzioni, cosicché l’output complessivo è dato dalla modalità con cui l’insieme di tali interazioni viene modulato in dipendenza da uno specifico stato fisiologico o patologico. In altre parole, a seconda delle condizioni, una parte definita di questo complesso circuito viene acceso o spento, e ciò si traduce in un determinato stato funzionale della cellula o dell’organismo.
In termini più generali, lo studio dell’interattoma è una branca della biologia dei sistemi [si veda riquadro alla pagina successiva].
Con tale espressione si intende un approccio interdisciplinare che studia sistematicamente le interazioni complesse dei sistemi biologici e che quindi coinvolge tutti i componenti molecolari e non soltanto le proteine. Ogni tentativo di interpretazione riduzionistica degli organismi si imbatte quindi oggi in formidabili difficoltà, quando avanzi la pretesa di giusti!care le proprietà di questi semplicemente in base alla conoscenza delle proprietà delle parti che li costituiscono [12]. Coerentemente, anche il nostro modo di guardare all’evoluzione dovrebbe sempre più tener conto della peculiare complessità degli organismi viventi, la quale è resa ancora più evidente dalla nostra crescente consapevolezza delle componenti non genetiche dell’evoluzione.
La dimensione epigenetica dell’ereditarietà e dell’evoluzione
L’esistenza e la grande rilevanza delle dimensioni non genetiche dell’ereditarietà possono essere apprezzate grazie a un semplice esempio.
Il nostro fegato è costituito da milioni di cellule epatiche le quali, essendo derivate da cellule progenitrici comuni, sono tutte estremamente simili fra di loro per morfologia e caratteristiche metaboliche.
Esse però sono molto diverse dai cardiomiociti che costituiscono il muscolo cardiaco, e dai più svariati e specializzati tipi cellulari che ritroviamo nel rene, nel sangue, nel sistema nervoso, eccetera, i quali a loro volta tendono a presentarsi come linee di cellule identiche. Il fatto più sorprendente, qualora si rifletta sulla diversità dei tipi cellulari presenti negli organismi complessi, è che il patrimonio genetico di ogni cellula è – salvo rarissime eccezioni note – esattamente lo stesso.
| BIOLOGIA DEI SISTEMI La biologia dei sistemi si prefigge di comprendere e predire le proprietà degli organismi in base alla conoscenza dell’insieme dei componenti molecolari di cui consistono e delle interazioni dinamiche, cioè variabili nel tempo, che questi attuano tra di loro. Non si occupa quindi dei singoli meccanismi molecolari: il suo approccio è olistico e non riduzionistico. In tal senso si tratta di una visione sostanzialmente nuova dei meccanismi di funzionamento dei sistemi biologici. La biologia dei sistemi ha avuto un grande impulso in tempi recenti (soprattutto gli ultimi dieci anni) principalmente grazie a sviluppi tecnologici che hanno reso praticabili sperimentalmente principi che in passato avevano una valenza essenzialmente speculativa. |
La differenza fra un epatocita e un neurone non è dovuta a un diverso patrimonio genetico, ma piuttosto a un diverso pro!lo di espressione dello stesso genoma. Si tratta, cioè, di una differenza non genetica, ma epigenetica.
Alcuni geni sono espressi più nell’epatocita che nel neurone, o viceversa, altri sono molto espressi in entrambi, altri ancora in nessuno dei due tipi cellulari. Ognuno delle molte migliaia di geni contenuti nel genoma (siano essi codificanti per proteine o per RNA non tradotti) avrà un certo livello di espressione, diverso in ogni tipo cellulare e in ognuna delle condizioni ambientali e fasi della vita in cui le cellule possono trovarsi. Inoltre – ed è il fatto più rilevante per la nostra discussione – quando le cellule epatiche si dividono danno origine ad altre cellule epatiche, e lo stesso accade per le cellule dell’epidermide, del rene, eccetera. Nel corso del loro sviluppo, queste cellule hanno acquisito informazioni non genetiche che possono trasmettere alla progenie. Quello descritto è l’esempio più immediato e imponente di sistema ereditario epigenetico.
Ora, una grande domanda che comincia a essere posta in modo sempre più autorevole è: in che misura i sistemi ereditari epigenetici (e, più in generale, i sistemi ereditari non genetici) contribuiscono all’evoluzione?
Si tratta di una domanda di grandissima rilevanza, poiché variazioni di stati epigenetici, e i conseguenti fenotipi, possono manifestarsi negli individui in risposta a stimoli ambientali, e quindi una loro trasmissione alla progenie si configurerebbe come ereditarietà di caratteri acquisiti – un’idea che appare ancora largamente eretica rispetto all’attuale pensiero evoluzionistico.
Eva Jablonka e Marion Lamb hanno recentemente fornito una esauriente e ben documentata trattazione (a cui senz’altro si rimanda) dei sistemi ereditari epigenetici e del loro potenziale impatto sull’evoluzione [13].
Fra questi, possono essere distinti:
- l’eredità di modelli di attività genica, che trovano una limpida esemplificazione nella biologia molecolare del batteriofago Lambda e del suo ciclo vitale [14];
- l’eredità di particolari sistemi di marcatura della cromatina, che consentono il perpetuarsi di specifici stati di attività o inattività dei geni;
- il silenziamento a RNA (o RNAi, abbreviazione di RNA interference), che può produrre una inibizione ereditabile dell’espressione di geni specifici;
- l’eredità strutturale, in base alla quale una struttura cellulare con una particolare configurazione (per es. un tratto di membrana plasmatica con certe caratteristiche) può guidare la formazione di una struttura identica a sé nella cellula figlia. Uno degli esempi più impressionanti di eredità strutturale è costituito dalle proteine prioniche, una delle quali è alla base del morbo della mucca pazza (BSE, Bovine Spongiform Encephalopathy). Queste proteine possono esistere in conformazioni alternative, e molecole proteiche in una delle due conformazioni possono indurre molecole in conformazione alternativa ad assumere la propria.
La scoperta di questa forma di eredità proteica per contiguità è valsa a Stanley Prusiner il premio Nobel per la Medicina e la Fisiologia nel 1997. La possibilità di una eredità proteica e, più in generale, di una eredità strutturale dovrebbe spingerci a non dimenticare un principio fondamentale, mai smentito, della Biologia: il fatto che ogni cellula può derivare solo da altre cellule, la sua membrana da una membrana pre-esistente, i suoi mitocondri da altri mitocondri, e questi a loro volta da altri precedenti, e le cellule più antiche da cellule precedenti, e così via fino a risalire ai tempi remoti e oscuri in cui l’avventura è cominciata. In termini pratici, non si è mai vista una cellula auto-costruirsi a partire dal suo DNA. L’attenzione a questo fatto conduce a una considerazione semplice, ma forse di grande importanza per il nostro sguardo sull’eredità e sull’evoluzione: il vero stampo su cui si modella, si costruisce ogni cellula è, nella sua interezza, la cellula-madre da cui essa origina, così come ogni vivente prende forma a partire da cellule germinali di viventi simili a sé. Il carattere pervasivo e l’inestricabilità, la costanza e l’onnipresenza di ciò che, nelle cellule, non è geneticamente codificato, ne fanno qualcosa di sfuggente, di inaccessibile all’indagine analitica: qualcosa che potrebbe svolgere ruoli fondamentali, ma a nostra insaputa; qualcosa di perfettamente nascosto perché è dappertutto, sempre.
Conclusioni
In conclusione, ci sembra importante sottolineare come le nostre conoscenze sui possibili meccanismi molecolari dell’evoluzione si siano negli ultimi anni enormemente ampliate, e come questo allargarsi dell’orizzonte conoscitivo abbia portato con sé, come prima e più feconda conseguenza, nuove impellenti domande su aspetti fondamentali della vita e della sua storia sulla Terra.
Un primo ordine di domande, impostosi proprio in concomitanza con l’inizio dell’era post-genomica della biologia, deriva dalla constatazione che la nostra «lettura» umana delle informazioni scritte nel DNA di un genoma ci rivela solo una piccola parte di ciò che la lettura reale, chimica di esso è in grado di esprimere da miliardi di anni. Che cosa accade nelle innumerevoli cellule di un organismo complesso, in funzione delle molteplici diverse letture chimiche del genoma, letture a loro volta condizionate, secondo dinamiche ancora incomprese, da un larghissimo spettro di variabili non-genetiche? Questo è il tipo di domande attraverso le quali il biologo post-genomico è ormai costretto a interrogarsi, quando volge il proprio sguardo ai genomi senza astrarli dal loro contesto vivente.
Un secondo ordine di domande, caratteristico della nuova biologia dei sistemi, nasce dalla constatazione che le proprietà fondamentali e distintive delle cellule e degli organismi emergono da network di interazioni fra insiemi di proteine, e fra proteine e altre molecole, secondo forme e criteri che sfuggono agli approcci riduzionistici. L’irriducibilità delle proprietà emergenti dei sistemi biologici rende evidente, fra l’altro, che l’evoluzione di tali sistemi non può essere indagata in modo esauriente in termini di frequenze alleliche considerate individualmente, al di fuori dei network di interazioni fra geni.
Un terzo ordine di domande, che sempre più insistentemente chiedono di essere affrontate, riguarda i sistemi di eredità (e quindi di possibile evoluzione) non genetica, che includono non soltanto le modalità epigenetiche di trasmissione dei caratteri, ma anche quelle comportamentali e simboliche, di cui l’evoluzione culturale dell’uomo è profondamente intrisa.
Infine, non si può non rimanere stupiti da come la varietà e la bellezza delle manifestazioni della vita sulla Terra abbiano avuto origine da un intrecciarsi di eventi il cui connotato principale è una sostanziale imprevedibilità. L’evoluzione non è certamente un processo deducibile in modo esatto da una conoscenza analitica delle premesse, per quanto dettagliata e precisa possa essere tale conoscenza. La vita e la sua storia si presentano a noi, anche dopo tre secoli di sviluppo rigoglioso delle scienze biologiche, con le sembianze di un fatto straordinario, irripetibile, a cui abbiamo il privilegio di partecipare con la gratitudine e lo stupore di invitati dell’ultima ora.
Albero filogenetico in forma circolare di 194 specie viventi i cui genomi sono stati interamente sequenziati. L’altezza delle barre azzurre all’esterno della circonferenza è proporzionale al numero di geni annotati nel genoma corrispondente. Le sezioni blu, verde e rossa corrispondono rispettivamente a Batteri (a cui appartiene la maggior parte dei genomi sequenziati), Archaea e Eucarioti.
Riferimenti per l’immagine: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Tree_of_life_with_genome_size.svg.
La fonte di Wikipedia è:http://itol.embl.de/itol.cgi – Basato sull’articolo: Ciccarelli FD, Doerks T, von Mering C, Creevey CJ, Snel B, Bork P (2006) Toward automatic reconstruction of a highly resolved tree of life. Science 311:1283-1287.
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Giorgio Dieci* e Paolo Tortora**
(*Professore Associato di Biochimica all’Università degli Studi di Parma. **Ordinario di Biochimica all’Università degli Studi di Milano-Bicocca)
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© Pubblicato sul n° 36 di Emmeciquadro