13.1:

13.1: Relazioni evolutive attraverso confronti del genoma

Evolutionary Relationships through Genome Comparisons

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Molecular Biology

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Evolutionary Relationships through Genome Comparisons

13.2: Genome Copying Errors

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02:54 min

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April 07, 2021

Overview

Genome comparison is one of the excellent ways to interpret the evolutionary relationships between organisms. The basic principle of genome comparison is that if two species share a common feature, it is likely encoded by the DNA sequence conserved between both species. The advent of genome sequencing technologies in the late 20th century enabled scientists to understand the concept of conservation of domains between species and helped them to deduce evolutionary relationships across diverse organisms.

Genome comparison can reveal three levels of evolutionary relationships. The first level provides deep insight into sequences and protein domains that are conserved across diverse groups of organisms, such as humans and fishes. The second level increases the resolution further to identify the unique DNA elements present in the closely related species, such as humans and chimpanzees. The third level with even higher data resolution distinguishes the genetic differences within a species, such as different variants and subtypes of an organism. This high-level resolution may identify mutations particular to individual microbial strains or clusters of infected cases, helping to track the disease outbreaks.

DNA sequencing tools

Several methods can be used to obtain the DNA sequence data required to deduce evolutionary relationships. Among them, whole-genome sequencing or WGS is a widely used technique. It provides high-resolution data extremely helpful to analyze mutations and conserved sequences among several organisms. It can also identify the cause of genetic disorders by comparing the DNA sequence of affected individuals to those of other unaffected subjects.

Data analysis tools

The data obtained by WGS or similar sequencing methods is analyzed by appropriate software tools to deduce evolutionary relationships. Molecular Evolutionary Genetics Analysis (MEGA) is one of the most widely used software tools. The programs present in the MEGA, such as assembly sequence alignment, building evolutionary trees, estimating genetic distances, and computation of evolutionary time trees, allow the users to curate and interpret the raw data obtained from sequencing techniques.

Transcript

La classificazione tradizionale degli organismi di Linneo è chiamata cladistica, che si basa sulle differenze nelle caratteristiche fisiche dell’organismo, e gli scienziati hanno comunemente costruito alberi, chiamati dendrogrammi, per fornire rappresentazioni visive di queste divisioni e gruppi.

Tuttavia, con l’avvento della tecnologia moderna, il confronto del DNA è diventato un modo comune per costruire tali alberi. Se i dati di sequenza vengono esaminati in una singola specie, come gli esseri umani, c’è un grado molto alto di somiglianza nel codice genetico, circa il 99,9% perché il codice genetico di un organismo viene trasmesso dal genitore alla prole.

Gli esseri umani condividono anche gran parte di questo codice del DNA con altre specie, come scimpanzé e topi, ma il grado di somiglianza complessiva tra il DNA umano e il loro è significativamente diverso. Ciò significa che gli alberi possono essere creati per gruppi di specie in base alle somiglianze o alle differenze tra i loro codici genetici. Questo campo di analisi, che combina statistica, modellazione matematica e informatica, fa parte di un campo noto come bioinformatica.

I dati genetici utilizzati per creare questi alberi possono assumere molte forme. Ad esempio, nella filogenesi molecolare uno o due loci genetici chiave vengono sequenziati e poi confrontati tra le specie di interesse.

Tuttavia, poiché singoli geni o regioni genetiche possono evolversi a velocità molto diverse in specie diverse o addirittura essere scambiati tra specie diverse attraverso il trasferimento genico orizzontale, queste indagini genetiche su piccola scala potrebbero non fornire sempre filogenesi accurate.

Nelle filogenesi batteriche, viene spesso utilizzata una tecnica chiamata tipizzazione di sequenze multi-locus, o MLST. Questo metodo genera sequenze in più regioni genetiche, in genere geni di housekeeping che sono essenziali per la funzione cellulare e quindi sono conservati in tutte le specie.

Tuttavia, i geni di housekeeping possono evolversi lentamente, quindi con MLST è difficile ottenere una risoluzione a livello di ceppo.

Infine, il sequenziamento dell’intero genoma, o WGS, può essere utilizzato per chiarire le relazioni evolutive. Questo metodo prevede il sequenziamento dell’intero genoma di un organismo, compreso il DNA mitocondriale negli eucarioti e persino il DNA dei cloroplasti nelle piante.

WGS allinea l’intero genoma con risoluzione su scala fine ed è in grado di identificare mutazioni o marcatori specie-specifici, punti di ramificazione e persino ceppi o popolazioni di una singola specie. Tali dettagli possono essere persi in una sequenza più mirata.

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Confronto del genoma Relazioni evolutive Sequenza del DNA Conservazione dei domini Tecnologie di sequenziamento del genoma Organismi diversi Domini proteici Elementi unici del DNA Differenze genetiche Varianti e sottotipi Dati ad alta risoluzione Sequenziamento dell'intero genoma (WGS)