Quando le molecole sono in viaggio: tracce lasciate dall’evoluzione nel DNA umano

Le ricerche di genetica delle popolazioni, unitamente al sequenziamento completo del DNA umano, offrono oggi alcuni spunti interessanti che contribuiscono a chiarire aspetti culturali riguardanti le importanti trasformazioni dell’Homo sapiens avvenute negli ultimi 40.000-50.000 anni. Esiste una prova evidente della pressione selettiva sul genoma esercitata da fattori ambientali quali il passaggio da società di cacciatori-raccoglitori a società di agricoltori-allevatori e le grandi migrazioni da un continente all’altro.
Negli esseri viventi, le cause capaci di portare ad una evoluzione e di conseguenza a modificare le frequenze alleliche presenti nel genoma, sono determinate principalmente dalle forze della mutazione, dalla migrazione, dalla selezione naturale e dalla deriva genetica casuale. Un fenomeno complesso molto interessante è il Linkage Disequilibrium (LD)¹ , grazie al quale è oggi possibile studiare a livello molecolare quei cambiamenti genetici avvenuti recentemente a causa della selezione. Si tratta di Polimorfismi a Singolo Nucleotide (SNPs) ² che consistono in differenze di singole lettere delle basi accoppiate costituenti il codice genetico. I polimorfismi SNP forniscono quindi degli indispensabili markers molecolari per ottenere maggiori dettagli al fine di disegnare una mappa globale della variabilità umana.

Un team di ricercatori dell’Università della California di Irvine, coordinati da Robert Moyzis ha condotto un’analisi su larga scala utilizzando i dati provenienti da società pubbliche e private che forniscono informazioni sul genoma umano. La ricerca, pubblicata sulla rivista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), ha analizzato un database riguardante circa 1.6 milioni di SNP distribuiti nel genoma umano, utilizzando un test specifico – il test LDD (Linkage Disequilibrium Decay) – molto sensibile nel distinguere gli effetti della selezione da altre cause riguardanti il fenomeno del LD, cioè le inversioni, i “colli di bottiglia” e i rimescolamenti. Partendo dalla considerazione che le nuove mutazioni hanno alte probabilità di essere perdute nel giro di poche generazioni, e che un allele ad alta frequenza con un grande LD è quasi impossibile che venga generato per caso, i ricercatori affermano di poter distinguere alcune componenti direzionali all’interno di un sistema bilanciato di selezione allelica.
In altre parole, la scoperta di circa 1.800 geni, corrispondenti al 7% del genoma umano, suggerisce che i cambiamenti subiti negli ultimi 50 mila anni siano da attribuirsi alle spinte della pressione evolutiva. Questi dati sono simili a quelli rilevati nelle alterazioni genetiche del mais, pianta modificata da selvatica ad agricola grazie all’intervento dell’uomo per mezzo della selezione artificiale. Importante sottolineare che la maggior parte di questi eventi è avvenuta probabilmente negli ultimi 10.000-40.000 anni, un periodo forte di espansione al di fuori del continente africano, seguito da trasformazioni sociali da cacciatori-raccoglitori ad agricoltori. Moyzis propone che: “Le interazioni gene-cultura direttamente o indirettamente modellino la nostra architettura genomica. Alleli selezionati di recente potrebbero fornire utili markers per indagare sulle migrazioni evolutive della nostra specie… molti di questi alleli si dovrebbero considerare come potenziali canditati funzionali per l’associazione tra la variabilità umana e le malattie comuni che affliggono il genere umano.”

Effetto del fondatore
L’insieme di alleli a due o più loci strettamente associati su un cromosoma è detto aplotipo e quando circonda una mutazione proveniente dal fondatore, si accorcia al passare delle generazioni. La mutazione del fondatore è presente nel cromosoma giallo. Le successive traslocazioni (ricombinazioni) dei cromosomi, con il passare delle generazioni, ridurranno la lunghezza dell’aplotipo iniziale.

Il modello teorico chiamato “effetto del fondatore” ³ , si riferisce ad una speciale classe di mutazioni genetiche, spesso causa di malattie nell’uomo – tra cui ad esempio l’anemia falciforme e la fibrosi cistica – ed esso permette agli scienziati di tracciare la migrazione e lo sviluppo di specifiche popolazioni nel corso dei millenni. Dennis Drayna, genetista del National Institute of Health (NIH), sostiene che: “Le mutazioni del fondatore aggiungono una nuova dimensione agli studi del DNA: determinare la lunghezza dell’aplotipo permette di datare la mutazione, mentre calcolarne le frequenze fornisce indicazioni sulla distribuzione geografica dei discendenti del fondatore.”
Una recente ricerca, che conferma la teoria dell’effetto “fondatore”, ha impegnato un gruppo di ricercatori dell’Università di Stanford in un’analisi di banche dati genetiche. Sohini Ramachandran e colleghi (tra i quali lo storico pioniere di genetica delle popolazioni Luigi L. Cavalli-Sforza), nell’articolo pubblicato dalla rivista Proceedings of the National Academy of Sciences, hanno scoperto alcuni dati a sostegno della relazione esistente tra l’aumento della differenziazione genetica e la distanza geografica.

Sono state analizzate le informazioni riguardanti 53 popolazioni provenienti da tutto il mondo per un totale di oltre 1000 soggetti, e come risultato si osserva una maggiore diversità genetica nelle popolazioni dell’Africa rispetto a quelle presenti nelle Americhe. Il dato interessante è che nei continenti raggiunti da ondate migratorie più recenti, ad ogni ondata successiva, la variabilità genetica si restringe, in accordo con l’effetto del fondatore.

© Alessandro Mura

Note:

1 LD Linkage disequilibrium (associazione gametica preferenziale)
Fenomeno per cui, a livello di popolazione, specifiche combinazioni di alleli a due o più loci concatenati tendono a trovarsi insieme sullo stesso cromosoma più frequentemente di quanto ci si attenda per caso. È un evento che riguarda loci molto strettamente concatenati tra i quali, quindi, sono molto rare le ricombinazioni. 
2 SNPs Single Nucleotide Polimorphisms (polimorfismi a singolo nucleotide)
Singole variazioni puntiformi del genoma, in cui la modifica di una singola base può causare la sintesi di una proteina poco funzionale. Gli SNPs presenti nel genoma umano sono più di un milione su un totale di 3,12 miliardi di basi e la loro individuazione è alla base di tutta la post-genomica, disciplina che studia le conseguenze dei dati ottenuti dal progetto genoma. 
3 Effetto del fondatore (founder effect)
Le mutazioni del fondatore sono una speciale classe di mutazioni genetiche, riconoscibili in quanto localizzate in sequenze di DNA identiche in tutti i portatori, avendo quindi origine da un comune antenato. Quando un territorio, isolato sia a livello geografico che a livello di incrocio da altre popolazioni, viene colonizzato da un gruppo ristretto di individui, molto probabilmente le frequenze alleliche della nuova popolazione presenteranno notevoli differenze da quelle della popolazione da cui il gruppo proviene. Molto spesso, a causa dell’elevato inincrocio, alleli cosiddetti “rari” diventano frequenti nella popolazione. Mediante la misurazione della lunghezza del tratto di DNA in cui è presente la mutazione, e individuando gli attuali portatori della mutazione, si può calcolare approssimativamente il periodo di apparizione ed il percorso di diffusione. Si tratta quindi di un caso particolare di deriva genetica, piuttosto che di un fattore autonomo di modificazione delle frequenze alleliche. 

Bibliografia:

– Wang ET, Kodama G, Baldi P, Moyzis RK, “Global landscape of recent inferred Darwinian selection for Homo sapiens”. Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), Jan 3 2006, vol. 103, no. 1, 135-140
– Drayna D, “Founder mutations”. Scientific American, 2005 Oct;293(4):78-85.
– Ramachandran S, Deshpande O, Roseman CC, Rosenberg NA, Feldman MW, Cavalli-Sforza LL, “Support from the relationship of genetic and geographic distance in human populations for a serial founder effect originating in Africa”. Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), Nov 1 2005, vol. 102, no. 44, 15942-15947