(Cervello-Immagine Credit Public Domain).
Con solo l’1% di differenza, i genomi che codificano le proteine umane e degli scimpanzé sono notevolmente simili. Comprendere le caratteristiche biologiche che ci rendono umani fa parte di una linea di ricerca affascinante e intensamente dibattuta.
I ricercatori del SIB Swiss Institute of Bioinformatics e dell’Università di Losanna hanno sviluppato un nuovo approccio per individuare, per la prima volta, i cambiamenti adattivi specifici dell’uomo nel modo in cui i geni sono regolati nel cervello. Questi risultati aprono nuove prospettive nello studio dell’evoluzione umana, della biologia dello sviluppo e delle neuroscienze. L’articolo è stato pubblicato su Science Advances.
Spiegano gli autori:
“È stato a lungo suggerito che i cambiamenti nella regolazione genica abbiano svolto un ruolo importante nell’evoluzione umana e specialmente nell’evoluzione del cervello e del comportamento umani. Molti tratti divergenti dell’uomo e dello scimpanzé non possono essere spiegati dagli adattamenti della sequenza proteica. Ad esempio, ci sono poche prove per collegare gli adattamenti della sequenza proteica ai tratti relativi alle capacità cognitive. Al contrario, ci sono alcune prove della divergenza dell’espressione genica specifica del cervello negli esseri umani che è coerente con un ruolo dell’evoluzione normativa. Tuttavia, rimane aperta una domanda centrale: quali modifiche normative erano adattive, se ce ne sono state? Una delle principali limitazioni nel rispondere a questa domanda è la mancanza di un modello robusto di evoluzione neutrale rispetto a quella adattativa per gli elementi normativi”.
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Espressione genica, non sequenza genica
Per spiegare cosa distingue gli umani dai loro parenti scimmia, i ricercatori hanno a lungo ipotizzato che non sia tanto la sequenza del DNA, ma piuttosto la regolazione dei geni (cioè quando, dove e con quale forza il gene viene espresso), che gioca un ruolo chiave. Tuttavia, individuare con precisione gli elementi regolatori che agiscono come “dimmer genici” e sono selezionati positivamente è un compito impegnativo che ha finora sconfitto i ricercatori.
“Per essere in grado di rispondere a domande così allettanti, è necessario essere in grado di identificare le parti del genoma che sono state sotto la cosiddetta selezione “positiva”. La risposta è di grande interesse per affrontare questioni evolutive, ma anche, in ultima analisi, potrebbe aiutare la ricerca biomedica in quanto offre una visione meccanicistica di come funzionano i geni”, dice Marc Robinson-Rechavi, Group Leader presso SIB e coautore dello studio.
Un’alta percentuale degli elementi regolatori nel cervello umano è stata selezionata positivamente
I ricercatori del SIB e dell’Università di Losanna hanno sviluppato un nuovo metodo che ha permesso loro di identificare un ampio insieme di regioni di regolazione genica nel cervello, selezionate durante l’evoluzione umana. Jialin Liu, ricercatore post-dottorato e autore principale dello studio, spiega: “Dimostriamo per la prima volta che il cervello umano ha sperimentato un livello particolarmente elevato di selezione positiva, rispetto allo stomaco o al cuore, ad esempio. Questo è eccitante, perché noi ora abbiamo un modo per identificare le regioni genomiche che potrebbero aver contribuito all’evoluzione delle nostre capacità cognitive!”.
Per giungere alle loro conclusioni, i due ricercatori hanno combinato modelli di apprendimento automatico con dati sperimentali su quanto fortemente le proteine coinvolte nella regolazione genica si legano alle loro sequenze regolatorie in diversi tessuti e quindi hanno eseguito confronti evolutivi tra umani, scimpanzé e gorilla. “Ora sappiamo quali sono le regioni selezionate positivamente che controllano l’espressione genica nel cervello umano. E più impariamo sui geni, più sarà completa la nostra comprensione della cognizione e dell’evoluzione e più spazio ci sarà per agire su quella comprensione“, conclude Marc Robinson-Rechavi.
Selezione positiva: un accenno alla rilevanza funzionale di una mutazione
La maggior parte delle mutazioni genetiche casuali non avvantaggiano né danneggiano un organismo: si accumulano a un ritmo costante che riflette la quantità di tempo trascorso da quando due specie viventi hanno avuto un antenato comune. Al contrario, un’accelerazione di quel tasso in una particolare parte del genoma può riflettere una selezione positiva per una mutazione che aiuta un organismo a sopravvivere e riprodursi, il che rende più probabile la trasmissione della mutazione alle generazioni future. Gli elementi di regolazione genica sono spesso lunghi con solo pochi nucleotidi, il che rende la stima della loro velocità di accelerazione particolarmente difficile da un punto di vista statistico.
