Evoluzione molecolare
Accuratezza della polimerasi: 99.9%
+ correzione di bozze: 99.999%
+ riparo: 99.9999999%
Evoluzione nel tempo dell'informazione biologica
Sequenza ancestrale
Separazione
ATCGGCCACTTTCGCGATCA
ATCGGCCACTTTCGCGATCG
ATCGGCCACTTTCGTGATCG
ATAGGCCACTTTCGCGATCA
ATAGGCCACTTTCGCGATTA
ATCGGCCACGTTCGTGATCG
ATCGGCCACGTTCGCGATCG
ATAGGGCACTTTCGCGATTA
ATCGCCCACGTTCGCGATCG
ATAGGGCACTTT-GCGATTA
ATTGCCCACGTTCGCGATCG
ATAGGGCACTTT-GCGATGA
Omologia: condivisione di un ancestore comune
LCA
Voi siete qui
OMOLOGIA
Emoglobina alfa uomo - Emoglobina alfa maiale
GENI ORTOLOGHI
Teoria neutrale dell'evoluzione molecolare
Kimura, M. Evolutionary rate at the molecular level, Nature (1968)
Kimura, M. The neutral theory of molecular evolution (1983)
Frequenza allele
Frequenza allele
Deriva genetica e dimensioni della popolazione
Generazioni
Generazioni
variazione genetica tra villaggi
montagna
collina
pianura
3,0
2,0
1,0
0,0
0
50
100
150
densità della popolazione (ab/km2)
Cavalli-Sforza LL. "Genetic drift" in an Italian population. Sci Am. 1969 Aug;221(2):30-7
Predizioni della teoria neutrale
• Regioni “meno importanti” mutano più rapidamente
• introni
• pseudogeni
• terza posizione dei codoni
• regioni periferiche delle proteine
• Regioni “più importanti” mutano meno rapidamente
• residui critici per la struttura
• residui critici per la funzione
STELE DI ROSETTA
(allineamento multiplo)
Specie 1
MGHYAGVIITASSTHDDESRYWKKSSANNMASTRGHDDDPAST
Specie 2
MGSYTGIAITHAATSDDESQYWKNSSANNSANNPGHDDDPESS
Specie 3
MMSTTQIAITHA-TSDDESQYYKNRRAQQSENTPGHDDDPETT
Specie 4
MGSTTSIAITHA-TSDDESQSSANRRAQQSENTPGHDDDPEAA
Specie 5
MGHWAGVIITAS-THDDESRYPKKSSANNMASNRGHDDDPANN
Specie 6
MMSTTQIAITHA-TSDDESQYYANRRAQQSENTPGHDDDPAGG
Specie 7
MGSYTGIAITHA-TSDDESQYWKNSSANNSANTPGHDDDPESS
Mutazioni come orologio molecolare?
Mutazioni ~ Tempo
Orologio molecolare nell'emoglobina alfa
Calcolo il numero
di mutazioni...
...Trovo il tempo
di separazione
Proteine diverse, velocità di evoluzione diverse
OMOLOGIA
Emoglobina alfa uomo - Emoglobina beta maiale
GENI PARALOGHI
Duplicazione genica
Lynch, M. & Conery, J.S. The evolutionary fate and consequences of duplicate genes. Science, 2000
La duplicazione genica è l'evento più frequente nell'evoluzione di nuovi geni
o funzioni
Duplicazione (1% dei geni / milione anni)
Divergenza per mutazioni (0.1% / milione di anni)
Esiti della duplicazione
genica
Silenziamento di una copia (pseudogene)
X
(Vita media di un gene
duplicato: 3-8 My)
Mantenimento della funzione nelle due copie
(Es. Proteine ribosomali, tRNA)
Acquisizione di una nuova funzione
(Simile o drasticamente diversa dalle
funzione originaria)
TEMPO
DUPLICAZIONE
Specie 1
MGHYAGVIITASSTHDDESRYWKKSSANNMASTRGHDDDPAST
Specie 2
MGSYTGIAITHAATSDDESQYWKNSSANNSANNPGHDDDPESS
Specie 3
MMSTTQIAITHA-TSDDESQYYKNRRAQQSENTPGHDDDPETT
Specie 4
MGSTTSIAITHA-TSDDESQSSANRRAQQSENTPGHDDDPEAA
Specie 5
MGHWAGVIITAS-THDDESRYPKKSSANNMASNRGHDDDPANN
Specie 6
MMSTTQIAITHA-TSDDESQYYANRRAQQSENTPGHDDDPAGG
Specie 7
MGSYTGIAITHA-TSDDESQYWKNSSANNSANTPGHDDDPESS
Specie 1
MGHWAGVIWSAS-THDDESRY-KKSSGNNMASNRGHDDDPANN
Specie 2
MGSYTGIAWSHAATSDDESQY-KNSSGNNSANNPGHDDDPESS
Specie 3
MGHYAGVIWSASSTHDDESRY-KKSSGNNMASTRGHDDDPAST
Specie 4
MMSTTQIAWSHA-TSDDESQYYKNRRGQQSENTPGHDDDPETT
Specie 5
MGSYTGIAWSHA-TSDDESQYWKNSSGNNSANTPGHDDDPESS
Specie 6
MGSTTSIAWSHA-TSDDESQSSANRRGQQSENTPGHDDDPEAA
Specie 7
MMSTTQIAWSHA-TSDDESQYYANRRGQQSENTPGHDDDPAGG
Confronto uomo-scimpanzé
Distanza per cromosoma uomo-scimpanzé
Y
1%
Mutazioni della miosina e cambiamenti anatomici nell'evoluzione umana
STEDMAN et al, NATURE 2004
Macaco
gorilla
uomo
O
HN
O
Urato
ossidasi
H
N
O
N
N
H
Urate
O OH
H
N
HN
O
Urato
ossidasi
N
?
O
N
OH
OOC
H
N
H2N
O
?
N
?
H
N
H2N8
4 32
76 5 1
N
O
N
H
H
H
O
O
N
H
?
(S)-Allantoin
O
Rattus norvegicus
Uomo
Mus musculus
Macaco
Pan troglodytes
Topo
Homo sapiens
Gallo
Gallus gallus
Pesce
Danio rerio
Fungo 1
Takifugu rubripes
Fungo 2
Drosophila melanogaster
Fungo 3
Caenorhabditis elegans
Pianta 1
Caenorhabditis briggsae
Pianta 2
Anopheles gambiae
Protozoo
Batterio 1
Saccharomyces cerevisiae
Eremothecium gossypii
Batterio 2
Batterio 3
Schizosaccharomyces pombe
Arabidopsis thaliana
Plasmodium falciparum
Completing the uric acid degradation pathway through
phylogenetic comparison of whole genomes
Nature chem. biol. 2006
Urato
ossidasi
O
HN
O
H
N
O
N
N
H
Urate
HIU
idrolasi
O OH
H
N
HN
O
N
N
O
OHCU
decarbossilasi
OOC
H2N
O
N
OH
H
N
O
N
H
H
O
N
H2N8
43
7 6 5 12
N
O
N
H HH
(S)-Allantoin
O