13.6: Duplicazione e divergenza genica

Il lavoro fondamentale di Ohno nel 1970 rese popolare l'idea della duplicazione e della divergenza dei geni. Studi di confronto delle sequenze di DNA rivelano che gran parte dei geni nei batteri, negli archeobatteri e negli eucarioti è stata generata dalla duplicazione e divergenza dei geni, indicando il suo ruolo critico nell'evoluzione.

Le copie duplicate del gene sono chiamate Paralogs. Paraloghi con sequenze e funzioni simili formano una famiglia di geni. In diverse specie è caratterizzato un gran numero di famiglie di geni. Ad esempio, la famiglia del gene della tripsina in D. melanogaster conta oltre 111 membri; la famiglia dei geni dei recettori olfattivi nei mammiferi comprende circa 1000 geni membri.

Generazione di geni duplicati

La duplicazione genica può verificarsi a causa dei seguenti quattro motivi. Innanzitutto, l'incrocio ineguale durante la meiosi può dare origine a segmenti di DNA duplicati contenenti una parte di un gene o più geni.

Il secondo è lo slittamento della replica. In rari casi, durante la replicazione del DNA, l'enzima polimerasi può dissociarsi dal DNA e ri-allinearsi in una posizione errata e copiare nuovamente le sequenze già replicate. Questo processo può creare copie duplicate del DNA su diverse centinaia di basi.

Il terzo è la retrotrasposizione. Qui, l'mRNA cellulare può essere trascritto al contrario in copie di DNA chiamate retrogeni. Questi retrogeni possono quindi re-inserirsi nel genoma provocando la duplicazione del gene. Poiché la copia inserita è priva di promotori e di altri elementi regolatori della trascrizione, la maggior parte di questi duplicati perdono la loro funzione e diventano pseudogeni.

Oltre alle duplicazioni geniche, si verificano anche duplicazioni cromosomiche su larga scala o duplicazioni dell'intero genoma. Alcuni cromosomi potrebbero non riuscire a separarsi nelle cellule figlie durante la meiosi, dando luogo a cellule aploidi con un numero anomalo di cromosomi. Ad esempio, i pazienti con sindrome di Down hanno una copia aggiuntiva del cromosoma 21. Nelle piante come il grano, l'intero genoma viene duplicato più di sei volte, creando un esaploide.

La duplicazione genica è un processo in cui una regione del DNA che codifica per un gene si duplica, creando copie aggiuntive di se stesso all'interno dello stesso genoma. Queste copie duplicate del gene, chiamate paraloghi, possono successivamente mutare e divergere in uno dei seguenti modi.

Il primo è la formazione degli pseudogeni. Qui, uno dei paraloghi genici può acquisire mutazioni deleterie e trasformarsi in una copia non funzionale chiamata pseudogene.

La seconda è la sub-funzionalizzazione in cui entrambi i paraloghi acquisiscono mutazioni in diversi domini codificanti proteine o esoni, suddividendo così la funzione genica originale tra di loro. Tuttavia, i prodotti proteici dei due geni paraloghi si completano a vicenda e mostrano la funzione genica originale.

Ad esempio, nei pesci primitivi e negli animali marini, una proteina globinica a catena singola fungeva da molecola che trasportava l'ossigeno nel sangue.

Nel corso dell'evoluzione, il gene della globina si è duplicato e subfunzionalizzato in due geni leggermente diversi che codificano per le proteine della α e della β-globina, che si associano per formare la molecola dell'emoglobina con 4 subunità presenti nella maggior parte dei vertebrati odierni.

Il terzo è la neo-funzionalizzazione. Qui, un paralogo acquisisce nuove e vantaggiose mutazioni che possono portare all'evoluzione di un nuovo gene. Al contrario, l'altro paralogo conserva la funzione originale.

Ad esempio, il gene della β-globina umana ha duplicato e acquisito mutazioni per produrre un nuovo gene chiamato β-globina fetale che è espresso esclusivamente nel feto umano. Tuttavia, subito dopo la nascita, il gene della β-globina assume la produzione delle proteine della β-globina.

L'evoluzione della visione tricolore nell'uomo è un altro interessante esempio di neofunzionalizzazione. Molto prima dell'evoluzione delle scimmie moderne, i primi primati avevano una visione dicromatica a causa della presenza dei geni dell'opsina blu e verde.

Successivamente, il gene dell'opsina verde si è duplicato e neo-funzionalizzato in un nuovo gene dell'opsina rossa.

Pertanto, le specie che si sono evolute dopo l'evento di duplicazione, come le scimmie del vecchio mondo, le scimmie e gli esseri umani, hanno tre geni opsinici che conferiscono una visione tricolore.