Lezione 10
Dimensioni del genoma e
complessità degli organismi
• Lynch: The origins of Genome Architecture
Capitolo 2
I 3 paradossi del genoma
K
N
C
Paradosso del valore K: la complessità
non correla con il numero di cromosomi.
Homo sapiens
Lysandra atlantica
Ophioglossum
reticulatum
46
250
~1260
Il valore C (quantità di DNA contenuto nel nucleo
di una cellula aploide di un organismo)
Paradosso del valore C: la complessità
non correla con la grandezza del
genoma.
3.4  10 bp
Homo sapiens
9
1.5  1010 bp
Allium cepa
6.8  1011 bp
Amoeba dubia
Paradosso del valore N:
Il numero di geni e la complessità degli organismi non
sono correlati
Paradosso del valore N:
Il numero di geni e la complessità degli organismi non
sono correlati
~21000 geni
~25000 geni
~60000 geni
Origine della complessità strutturale e flessibilità
nello sviluppo degli eucarioti
Se non è una conseguenza dell’aumento del numero di geni, allora deve essere
come quei geni si esprimono
1. Essere costituiti da un nuovo tipo cellulare e essere organismi più grandi ha
promosso l’evoluzione di nuovi modelli di espressione (spiegazione
ADATTATIVA)
oppure
2. Nuovi tipi cellulari e maggiori dimensioni hanno avuto come effetto collaterale
NON ADATTATIVO un cambiamento nell’architettura del genoma che in un
secondo tempo ha posto le basi per nuove funzioni cellulari adattative
Tesi di Lynch:
Molti aspetti della complessità del genoma degli eucarioti si sono
originati grazie a processi non adattativi (mutazione, deriva) molto più
efficaci quando le dimensioni effettive popolazionistiche sono minori
Il numero di geni e la complessità degli organismi
non sono correlati
Quanta parte del genoma è
costituita da DNA
codificante, introni e DNA
intergenico in genomi di
diversa grandezza
Come si legge?
Tutti i punti che giacciono
su questa linea indicano
specie in cui la
componente intergenica
rappresenta il 10% del
genoma totale
Modificazioni delle dimensioni del genoma
Elementi trasponibili: elevato tasso di trasposizione, 10-5 per elemento per
generazione che genera delezioni ed inserzioni
Modificazioni delle dimensioni del genoma
Piccole in-dels possono essere originate da strand-slippage
From Strachan and Read, Human Molecular Genetics 2
Modificazioni delle dimensioni del genoma
In-dels possono essere originate anche da duplicazioni di interi geni
(segmental duplication)
Modificazioni delle dimensioni del genoma
Il riparo della rottura di
un doppio filamento può
portare a ricombinazione
o no, ma non cambia la
QUANTITA’ di DNA
Sung and Klein
7, 739–750 (October 2006) | doi:10.1038/ nrm2008
Modificazioni delle dimensioni del genoma
inserzione
Se in uno dei due cromosomi c’è
un’inserzione il riparo della rottura
di un doppio filamento può
AUMENTA LA QUANTITA’ di DNA
Tendenza all’aumento delle dimensioni del genoma
Tutti i meccanismi che abbiamo visto potrebbero generare un aumento
delle dimensioni del genoma se non controllati
Le delezioni sono sufficienti a controbilanciare le inserzioni?
Dimensioni
genoma
Tasso di delezione?
Per alcune specie (es. C. elegans) sembra di no: il tasso netto di
guadagno supera quello di perdita in esperimenti controllati per assenza
di selezione (queste specie avrebbero comprato un “one way ticket to
genome obesity” secondo Bennetzen e Kellogg, 1997)
Ci sono differenze interspecifiche: non sembra però troppo realistico spiegare la tendenza a
genomi più piccoli come risultato di un tasso maggiore di delezione
Costo evolutivo dell’aumento delle dimensioni del genoma
Alternativa: l’esplosione del genoma potrebbe essere
controllata dalla selezione contro la fissazione delle
inserzioni?
Perché le inserzioni dovrebbero subire selezione negativa?
- Gain of function: comparsa di nuove funzioni deleterie
- Trasposoni: aumentano i cambiamenti sfavorevoli
- Costo degli introni
- Soprattutto: più materiale c’è maggiore è la possibilità che
compaia una mutazione sfavorevole
Mutazione e deriva genetica definiscono l’efficacia della
selezione
Le dimensioni della popolazione
sono la chiave per l’efficacia della selezione
Il tasso di mutazione definisce con che velocità compaiono
mutazioni deleterie mentre
La dimensione delle popolazioni definisce l’abilità della
selezione di levarle di mezzo
Piccole dimensioni non permettono di evitare
l’accumulo di mutazioni deleterie e rendono
difficile promuovere quelle benefiche
selezione
deriva
Mutazione e deriva genetica definiscono l’efficacia della
selezione
Per qualche motivo in una particolare linea
evolutiva la selezione naturale favorisce grandi
dimensioni corporee
Maggiori dimensioni corporee = Minori
dimensioni popolazionistiche
Minori Ne = minore efficacia della selezione,
maggiore della deriva
Mutazione e deriva genetica definiscono l’efficacia della
selezione
L’efficienza della selezione è ridotta
Inserzioni non troppo deleterie si
accumulano
Crescono le dimensioni del genoma
per via della minore capacità di
togliere di mezzo il DNA in eccesso
Popolazioni grandi = individui piccoli:
la selezione funziona meglio contro le
inserzioni in eccesso → genomi
piccoli
La deriva permette un aumento del tasso di mutazione
per generazione
Relazione tra il tasso di sostituzione per nucleotide per generazione (Y) e dimensione del
genoma (X). Punti: stima media per taxon – per la maggioranza dei microbi le osservazioni
sono poche, mentre nei taxa multicellulari i data sets sono grandi, anche genomi interi-.
RNA viruses alone
pooled data from
dsDNA viruses,
eubacteria, and
archaea
La deriva permette un aumento del tasso di mutazione
per generazione
La deriva permette un aumento del tasso di mutazione
per generazione
Tasso di
errore
complessivo
Per cellula
Tasso di errore di
incorporazione
prima
dell’attività
proofreading e
mismatch repair
La deriva permette un aumento del tasso di mutazione
per generazione