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Lezione 13
Duplicazione genica ed espansione
del genoma

• Lynch Capitolo 9
• Grauer and Li Capitolo 6

Modalità di duplicazione genica
1. Duplicazione intragenica
2. Duplicazione completa di un gene
3. Parziale duplicazione cromosomica (polisomia paraziale)
4. Duplicazione cromosomica completa (polisomia)
5. Duplicazione genomica (poliploidia)

Regioni interessate
dalla duplicazione
Parte di un gene
Intero gene
Polisomia parziale
Polisomia
Poliploidia
Frequenza
Molto
frequente
frequente
raro
comune
comune
Effetto sulla Fitness
Deleterio se cambia il reading
frame.
Deleterio solo in organismi in
cui il genoma è replicato come
un’unica molecola.
Quasi sempre deleterio.
Quasi sempre deleterio.
L’effetto deleterio dipende dalle
modalità di riproduzione

Equal & Unequal Crossing Over

Domini
Dominio funzionale: una regione specifica in una
proteina che svolge una funzione specifica.
Esempio: dominio di legame del substrato
Dominio strutturale o modulo: una regione ben definita
in una proteina che costituisce un’unità strutturale
stabile e compatta che può essere distinta da tutte le
altre unità.

Dominio funzionale
Definire i confini di un dominio funzionale spesso
non è semplice perchè la funzionalità in molti casi è a
carico di residui aminoacidici che sono sparsi lungo il
polipeptide
Cytochrome P450 2D6
7

Dominio strutturale o modulo
Moduli strutturali sono colineari con la sequenza
aminoacidica di una proteina, quindi un modulo consiste di
una sequenza continua di aminoacidi
Se la funzionalità è a carico di un modulo una
duplicazione aumenterà il numero di segmenti
funzionali.
Se la funzionalità è a carico di residui aminoacidici
distribuiti in diversi moduli una duplicazione potrebbe
non essere efficace dal punto di vista funzionale

Possibili relazioni tra esoni
di un gene e domini
strutturali della proteina
codificata
a e b: tipici di molte
proteine globulari
c: molto comune
d ed e: molto rari
Intron sliding
Intron loss
Intron acquisition

Globine dei vertebrati:
4 domini
3esoni
Uno stesso esone può codificare più di un
dominio: in questo caso l’esone 3 codifica per
i due domini centrali

Perdita di introni durante l’evoluzione dei geni delle globine
Il gene ancestrale aveva 4 esoni e 3 introni (il numero nel cerchio corrisponde all’introne perso)
Struttura
ancestrale

Duplicazione di domini
Ricostruzione dell’evoluzione di un dominio dinucleotide‐binding
della gliceraldeide‐3‐fosfato deidrogenasi

Duplicazione di domini
immunoglobuline
Possibile origine: duplicazione interna al
gene ancestrale
Funzione attuale molto diversa

Duplicazione di domini
Il gene ovomucoide
L’ovomucoide è un inibitore della tripsina, un enzima che catalizzala digestione delle
proteine. Si trova nell’albume dell’uovo degli uccelli. Il polipeptide può essere diviso in 3
domini, ognuno dei quali può legare una molecola di tripsina o un’altra serin proteasi
Ogni dominio: 2 esoni e un introne
E1 E2 E3 E4 E5 E6
Ensembl:ENSGALG00000003512
Duplicazione da un iniziale dominio
codificato da due esoni
2x
E1 E2 E1 E2 E5 E6
2x

Duplicazione di domini
Geni antigelo nei pesci
I fluidi dei teleostei ghiacciano da ‐1.0 a ‐0.7 °C
Oceano Altlantico: ‐1.9 °C
Nel sangue dei pesci antartici c’è una proteina che inibisce la crescita dei cristalli di
ghiaccio nei fluidi corporei
Una di queste proteine deriva dall’acquisizione di funzione a seguito di una duplicazione
Ogni gene della famiglia codifica per un precursore (grossa poliproteina)
→Traduzione → taglio enzimatico e produzione di numerose glicoproteine
Abbassamento della temperatura dell’Oceano Atlantico: 10‐14 milioni di anni fa
Comparsa del gene antigelo: 5‐14 milioni di anni fa
E’ possibile ricostruirne l’evoluzione perché è relativamente recente

Geni antigelo nei pesci: probabile evoluzione
(molti cambiamenti e funzione completamente nuova in un breve tempo: pressione selettiva)
Da un gene con 6 esoni
Delezione ed ‘esonizzazione’ di
5 nucleotidi esonici: nuovo
gene con 2 esoni
4x Duplicazione di Thr‐Ala‐Ala
Aggiunta di uno spaziatore
(parte grigia)
Ripetizioni interne = 41 repeats

Duplicazione genica
Destino dei geni duplicati:
1. Tutte le copie mantengono la stessa
funzione.
2. Alcune copie scompaiono.
3. Alcune copie evolvono con una nuova
funzione.
X

Duplicazione genica: Tutte le copie mantengono la stessa funzione
Numbers of rRNA and tRNA genes per haploid genome in various organisms
__________________________________________________________________________
Genome Source Number of Number of Approximate
rRNA sets tRNA genes a genome size (bp)
__________________________________________________________________________
Human mitochondrion 1 22 2 × 10 4
Nicotiana tabacum chloroplast 2 37 2 × 10 5
Escherichia coli 7 ~ 100 4 × 10 6
Neurospora crassa ~ 100 ~ 2,600 2 × 10 7
Saccharomyces cerevisiae ~ 140 ~ 360 5 × 10 7
Caenorhabditis elegans ~ 55 ~ 300 8 × 10 7
Tetrahymena thermophila 1 ~ 800 c 2 × 10 8
Drosophila melanogaster 120-240 590-900 2 × 10 8
Physarum polycephalum 80-280 ~ 1,050 5 × 10 8
Euglena gracilis 800-1,000 ~ 740 2 × 10 9
Human ~ 300 ~ 1,300 3 × 10 9
Rattus norvegicus 150-170 ~ 6,500 3 × 10 9
Xenopus laevis 500-760 6,500-7,800 8 × 10 9
__________________________________________________________________________
Tutte le copie sono molto simili: selezione purificante o evoluzione concertata?

Duplicazione genica: Tutte le copie mantengono la stessa funzione
Opsine
Opsina λ (nm) Stimolata dalla luce cromosoma
Rossa 560 Rossa Gialla Bianca X
Verde 530 Gialla Bianca X
Blu 430 Blu Bianca autosoma
96%
identità
aminoacidi
43%

Duplicazione genica: Tutte le copie mantengono la stessa funzione
New world monkeys (NWM) Old world monkeys (OWM)
1 autosomico
1 X‐linked polimorfico!
Nelle NWM c’è polimorfismo (più
alleli con sensibilità diverse alla
luce) per il gene sull’X
Solo le femmine eterozigote
possono essere tricromiche, i
maschi sono sempre dicromici
25‐35 milioni di anni fa
Autos X X
Dopo 25‐35
milioni di
anni fa
Nelle OWM la tricromia è
possibile in entrambi i sessi grazie
alla duplicazione dei geni sull’X

Duplicazione genica: Tutte le copie mantengono la stessa funzione

Duplicazione genica: perdita di funzione di una delle copie
Ci sono ~7000 malattie genetiche documentate in letteratura che
testimoniano come una mutazione possa distruggere la funzione di
un gene che codifica per una proteina.
PERO’:
“As long as there are other copies of a gene that function normally, a
duplicate gene may accumulate deleterious mutations and become
nonfunctional without adversely affecting the fitness of the
organism.”
J. B. S. Haldane (1933)
“Because deleterious mutations occur far more often than
advantageous ones, a redundant duplicate gene is more likely to
become nonfunctional than to evolve into a new gene.”
Susumu Ohno (1972)

Processati
Geni retrotrasposti (es.
LINE e SINE)
Pseudogeni
Non processati
(duplicated)
Perdita di funzione per
silenziamento di un
gene post‐duplicazione
Molto comuni Comuni
Unitari
L’unica copia rimasta è
uno pseudogene
Molto rari

Duplicazione genica: perdita di funzione di una delle copie
Pseudogeni unitari
Come si può fissare in una popolazione la perdita di un gene?
Per deriva se la selezione è rilassata
Ipoascorbemia o scrobuto = incapacità di sintetisi dell’acido ascorbico
Cavie
Uomo si ammalano di scorbuto se non assumo acido ascorbico (vitamina C)
Trote
Lo pseudogene non ha una controparte funzionante: pseudogene unitario
Mutazioni diverse in uomo e cavia: perdita di funzione in momenti diversi
X

Duplicazione genica: perdita di funzione di una delle copie
Pseudogeni non processati
Molti esempi nelle globine
Polyadenilation
signal

Duplicazione e
divergenza
Clusters separati (Mammiferi e
uccelli)
Separazione di
geni
Fusione di
esoni o
inserzione di
introni
Evoluzione delle globine
Espansione del cluster
geni αβ uniti (Xenopus)
Globina singola (lamprede) o globina ancestrale
(mioglobina)
Leghemoglobina (piante)
700 600 500 400 300 200 100 milioni di anni

Muscolare
Globulare
Monomerica
Prima dell’emergenza degli anellidi
Hb: trasporto O 2 nel sangue, tetramerica
Duplicazione genica in tandem
Divergenza tra tipi
adulti e non

Nell’uomo

Ipotesi sull’origine degli introni

Ipotesi sull’origine degli introni
Introni di gruppo I batteri, organelli identificati circa 1500
Introni di gruppo II “ identificati circa 200
Introni con spliceosomi genoma nucleare di eucarioti
Assenti nei procarioti,
molto variabili in
numero negli eucarioti

Ipotesi sull’origine degli introni
L’ipotesi introns‐early
(la teoria esonica dei geni)
Geni ancestrali possedevano introni self‐
splicing.
La maggioranza di questi furono persi
negli Eubatteri e negli Archaea.
Negli Eucarioti, gli introni self‐splicing si
sono evoluti in ‘spliceosomal introns’. Walter Gilbert

Ipotesi sull’origine degli introni
L’ipotesi introns‐late
I geni ancestrali non possedevano introni
L’aggiunta degli introni è avvenuta dopo
la formazione delle cellule ecucariotiche
e il processo di endosimbiosi che ha dato
origine ai mitocondri
Spliceosomal introns nucleari sono
derivati da introni del gruppo II (self‐
splicing) che a loro volta sono derivati da
elementi trasponibili
Russell Doolittle

Ipotesi sull’origine degli introni
Modelli di mantenimento, guadagno e perdita di introni
•Non c’è un semplice modello filogenetico (specie con molti e
pochi introni sono sparse nell’albero filogenetico degli eucarioti)
•Se l’antenato comune fosse stato povero di introni (questi
ultimi duqne derivassero da recenti inserzioni) ci
aspetteremmo POCA corrispondenza nella posizione degli
introni in specie distanti
•Se l’antenato fosse stato ricco di introni (specie povere per via
di massicce perdite di sequenze introniche) ci aspetteremmo
MOLTA corrispondenza nella posizione degli introni in specie
distanti

Ipotesi sull’origine degli introni
Le stime indicano una perdita di introni
lungo molte linee, ma assumono che:
1. Che tutte le posizioni introniche
condivise riflettano introni ancestrali
2. Che gli introni vengano persi con lo
stesso tasso in tutte le linee

Ipotesi sull’origine degli introni
Intron early (IE) Intron late (IL)
Buona densità intronica in antenati di
eucarioti
Un numero significativo viene datato a
centinaia di milioni di anni fa
Le linee eucariote quasi senza introni
avrebbero subito una massiccia perdita:
questo supporta la possibilità che nei
procarioti sia successo lo stesso
La maggior parte degli introni dovrebbe
essere di ‘fase 0’: vero soprattutto in
introni ‘antichi’
Non ci sono spliceosomal introns nei
procarioti
Se la sopravvivenza di un introne che si
inserisce in un gene integro dipende dal
mantenimento della fase, allora la
presenza di fase 0 supporta anche
l’ipotesi IL
Questo vale soprattutto se avviene un
salto di esone (exon skipping)

Ipotesi sull’origine degli introni

Ipotesi sull’origine degli introni

Ipotesi sull’origine degli introni

Ipotesi sull’origine degli introni
Il costo degli introni
1. Diminuiscono la fedeltà e l’efficienza della trascrizione:
allungamento dei trascritti eucarioti= 20‐40 bp / secondo
Un gene umano 1.3 Kb DNA codificante totale con 8 introni di 4.8Kb
l’uno = 22 minuti
→ 30x allele senza introni
2. Pericolose mutazioni ai siti di splicing (GT 5’ ; AG 3’ ; una A centrale
e anche altre sequenze): numero di basi precise necessarie per ogni
introne ≈25
Se il tasso di mutazione è di 10 ‐9 ‐ 10 ‐7 per sito per generazione, gli
introni aumentano di 25x 10 ‐9 ‐ 10 ‐7 volte la probabilità di subire
una mutazione deleteria

Ipotesi sull’origine degli introni
Organismi multicellulari: 5‐7 introni per gene codificante
Organismi unicellulari: pochi introni in tutto il genoma
Il successo di nuovi alleli che hanno guadagnato o perso introni
dipende dalle dimensioni delle popolazioni!
Possibili spiegazioni (Lynch)
1. Selezione meno efficiente in popolazioni grandi, mantenimento di
nuovi introni potenzialmente dannosi, barriera alla colonizzazione
intronica in specie con N grandi
2. Da qui consegue che introni con più sito‐specificità (più esigenti)
hanno un coefficiente di selezione più alto, quindi a parità di N
saranno meno frequenti→ mol esempi!

Ipotesi sull’origine degli introni
Possibili spiegazioni (Roy and Gilbert)
Sostengono che l’evoluzione degli eucarioti sia stata caratterizzata da
più perdite che guadagni di introni → Intron Early
Ne consegue che le differenze tra specie in numero di introni
sarebbero dovute a differenti tassi di perdita di introni ancestrali
Organismi che evolvono
lentamente tendono a
mantenere più introni
ancestrali
Organismi che evolvono
velocemente tendono a
perdere più velocemente
introni ancestrali
Se gli introni vengono persi con modalità Aa (RT‐mRNA + conversione genica) il tasso di
perdita dipenderà dal tasso di ricombinazione tra paraloghi (geni prodotti da
duplicazione intraspecifica)
Se le ricombinazioni avvengono durante la meiosi specie con tempi di generazione più
lunghi devono avere mantenuto più introni

Ipotesi sull’origine degli introni
Possibili spiegazioni (Roy and Gilbert)
Se le ricombinazioni avvengono durante la meiosi specie con tempi di
generazione più lunghi devono avere mantenuto più introni
Alcune osservazioni supportano questa conclusione, ma altre sembrano
suggerire che ci siano specie con tassi rapidi di perdita e guadagno, e specie
con tassi lenti di perdita e guadagno (anche di 10x!) → differenze dovute a
specificità biomolecolari
Domande ancora aperte:
1. Come si creano nuovi introni? Quanto omogeneo tra diverse specie è il
meccanismo?
2. Perché si crearono gli introni? Ruolo attivo nel formare nuovi geni? Massiccio
evento di trasposizione? Creazione di un coordinamento tra trascrizione e
traduzione?
3. Perché diverse specie mostrano numeri di introni così differenti?