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12-03-2008
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Pagina iii
Austin Burt, Robert Trivers
Geni in conflitto
La biologia degli elementi genetici egoisti
Traduzione di Elisa Faravelli e Allegra Panini
Edizione italiana a cura di Edoardo Boncinelli
EDIZIONI
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Pagina iv
Austin Burt, Robert Trivers
Geni in conflitto
La biologia degli elementi genetici egoisti
Progetto grafico: studiofluo srl
Coordinamento produttivo: Progedit & Consulting,Torino
Copyright © 2006 by the President and Fellows of Harvard College
All rights reserved
Printed in the United States of America
Austin Burt, Robert Trivers
Genes in Conflict
The Biology of Selfish Genetic Elements
© 2008 Codice edizioni, Torino
ISBN 978-88-7578-097-5
Tutti i diritti sono riservati.
Per le riproduzioni grafiche e fotografiche appartenenti alla proprietà di terzi
inserite in quest’opera, l’Editore è a disposizione degli aventi diritto,
nonché per eventuali non volute omissioni e/o errori di attribuzione
nei riferimenti bibliografici.
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Indice
vii
Prefazione
Capitolo 1
3
Elementi genetici egoisti
Capitolo 2
23
Killer autosomici
Capitolo 3
67
Cromosomi sessuali egoisti
Capitolo 4
107
Imprinting genomico
Capitolo 5
157
DNA mitocondriale egoista
Capitolo 6
201
Conversione genica e homing
Capitolo 7
245
Elementi trasponibili
Capitolo 8
321
Drive meiotico nella femmina
Capitolo 9
345
Cromosomi B
Capitolo 10
405
Esclusione genomica
15:07
Pagina v
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Capitolo 11
447
Linee cellulari egoiste
Capitolo 12
475
Riepilogo e direzioni future
507
Bibliografia
583
Glossario
15:07
Pagina vi
Geni in conflitto
Capitolo 12
Riepilogo e direzioni future
In questo libro abbiamo documentato la varietà degli elementi genetici egoisti
in considerevole dettaglio, organizzando il materiale per classi distinte. Riesaminiamo ora brevemente la materia per argomenti, in modo da estrapolare alcune
delle tematiche comuni che la animano e che continueranno probabilmente ad
animarla in futuro. Per facilità di lettura, ci siamo astenuti dal ripetere qui i riferimenti per ciascun fatto o ipotesi citata, ma abbiamo preferito tracciare un percorso riassuntivo dei principali argomenti.
Nonostante i grandi progressi recentemente compiuti, stiamo, per certi versi, appena iniziando a scalfire la superficie della materia degli elementi genetici
egoisti. La nostra analisi rivela un’intera serie di domande generali per le quali
generalmente disponiamo, nella migliore delle ipotesi, di risposte estremamente parziali. Come sono diffusi i vari tipi di elementi egoisti nelle differenti specie e gruppi di specie? Per quale ragione certi elementi egoisti si ritrovano in
alcune specie e non in altre? Come è stata la vita evolutiva di una particolare
classe di elementi egoisti (ad esempio, dei cromosomi B) – breve con origini ripetute, o più lunga con meno origini? Quali sono i principali fattori che controllano la diffusione degli elementi genetici egoisti e come operano? Quali
nuove forme di drive devono ancora essere descritte? E quali erano le principali pressioni selettive quando il genoma fu assemblato per la prima volta – una
questione avvolta nel mistero? Nondimeno, è utile ricapitolare alcune conclusioni e lo faremo per gli elementi genetici egoisti in generale, esaminando:
– La loro logica e modalità di azione
– La loro genetica molecolare
– Le loro interazioni con il sistema di accoppiamento della specie ospite
– Il loro destino all’interno delle specie
– Il loro trasferimento tra le specie
– Il loro ruolo nell’evoluzione della specie ospite
476
Geni in conflitto
La logica degli elementi genetici egoisti
Sono davvero egoisti gli elementi egoisti? A questa domanda è stata data una risposta definitiva. Il lavoro compiuto su un gran numero di gruppi ha confermato
che gli elementi genetici egoisti sono davvero (con qualche importante eccezione) egoisti. Nonostante i molti sforzi compiuti per trovare benefici al livello dell’individuo – o, più comunemente, a quello della popolazione o della specie – nessuna spiegazione generale si è dimostrata efficace. Ad esempio, gli elementi trasponibili sono stati descritti come una risposta adattativa a condizioni di stress,
come un mezzo per regolare l’espressione genica, e come uno strumento per rimodellare il genoma; i cromosomi B sono stati descritti come un dispositivo dell’organismo per generare più alti livelli di ricombinazione nei cromosomi A; e
l’imprinting genomico è stato descritto come un meccanismo di protezione contro partenogenesi o tumori invasivi del trofoblasto o come un reostato di sviluppo
(a voi la scelta). Ma poche di queste spiegazioni sono sopravvissute persino alla più
frettolosa delle ispezioni e nessuna ha retto dinanzi a una considerazione attenta
delle testimonianze empiriche. Pare che i geni egoisti evolvano perché beneficiano se stessi direttamente, al contempo provocando effetti nocivi o (nella migliore
delle ipotesi) nessun effetto su tutti gli altri geni non collegati dell’organismo.
D’altro canto, talvolta gli elementi egoisti sono anche “passati dall’altra parte”, in altre parole, sono stati cooptati per assolvere a qualche funzione utile al
livello dell’organismo, ma la situazione generale che ha condotto a tale evoluzione è stata poco studiata.
Modalità dell’azione egoista. La grande maggioranza degli elementi egoisti si
diffonde distorcendo la propria trasmissione dal genitore ai figli, trovando qualche sistema per trasmettersi a più del mendeliano 50% della progenie (Tab. 12.1).
Tale distorsione può essere una forza molto potente quando ripetuta di generazione in generazione. I tassi di incremento variano nella loro entità da circa il
100% per generazione (cromosomi B nella segale, killer di spore nei funghi) a circa il 50% per generazione (drive quasi completo in un sesso, come nel caso di t, di
SD e dei cromosomi X e Y distorsori) ad appena 1 su 1000 o 1 su 10 000 (tassi
comuni di trasposizione); ma questi ultimi valori sono associati alla colonizzazione di nuovi siti, così che entrambe le copie possono trasporre e non vi è alcun
chiaro limite superiore al numero di copie. Come illustrato a grandi linee nel
Capitolo 1, le seguenti strategie di base sono state identificate come mezzi per
raggiungere il drive: l’interferenza con l’allele rivale, la realizzazione di più di una
replicazione a ogni ciclo cellulare e l’inclusione preferenziale nella linea germinale. Vi sono poi i geni egoisti che non distorcono la propria trasmissione, bensì
Riepilogo e direzioni future
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il modo in cui l’organismo ospite si comporta verso gli individui con cui è imparentato. Gli esempi migliori sono i geni coinvolti nell’imprinting genomico nei
mammiferi e (quando interpretata in questo modo) la maschio-sterilità citoplasmatica (CMS) nelle piante.
Genetica molecolare
La grande varietà di elementi genetici egoisti sta emergendo soltanto ora. Per
molti di essi, non disponiamo nemmeno di qualche informazione rudimentale
sulla loro natura e sul loro modo di operare. Nondimeno, alcune caratteristiche comuni sono divenute evidenti.
Struttura e dimensioni. La maggioranza degli elementi genetici egoisti codifica
per una o più proteine. In certi casi, queste proteine svolgono qualche nuova
funzione. I geni HEG e gli elementi trasponibili codificano per proteine coinvolte nel metabolismo del DNA – nucleasi, polimerasi, ligasi e trasposasi. L’elemento Ab10 del mais codifica in qualche modo per le funzioni dei neocentromeri.
In altri casi gli elementi genetici egoisti sembrano semplicemente interferire con
le normali funzioni dell’organismo ospite: gametogenesi, differenziazione sessuale, crescita fetale, e così via. Il modo in cui realizzano tale interferenza è talvolta riflesso nella struttura molecolare soggiacente. Sd codifica per una proteina
tronca dell’ospite che è priva del 40% della sua lunghezza e va pertanto erroneamente a collocarsi nel nucleo. Lì essa causa il drive degli alleli Rspi, essi stessi risultanti dall’assenza di alcune ripetizioni cromosomiche. Almeno uno degli alleli distorsori nel complesso t pare consistere in una delezione. Un fatto interessante è che il gene Responder dell’aplotipo t (Tcr) è un gene chimerico formato
dalla fusione di normali geni dell’ospite, così come tutti i geni CMS sequenziati
finora. Purtroppo non sappiamo ancora come operino queste proteine.
Infine, vi è un insieme selezionato di elementi che non codificano per nessuna proteina. I nucleotidi G e C possono diffondersi perché sono favoriti dal
sistema di riparazione degli errori di appaiamento del DNA, e i riarrangiamenti
cromosomici possono diffondersi perché riposizionano il centromero e così aumentano la trasmissione alla meiosi femminile. Questi elementi non codificanti hanno ovviamente forme di drive più passive di quelli che codificano per una
o più proteine, e non raggiungono lo stesso grado di complessità adattativa.
Tornando agli elementi egoisti codificanti, alcuni di essi codificano per più
di una proteina, e tutti, o la maggior parte, hanno anche sequenze non codificanti essenziali per il loro adeguato funzionamento. Ad esempio, i trasposoni a
Perdita del genoma paterno (PGL)
Elementi PSR-simili (PSR in Nasonia)
Geni per la maschio-sterilità
citoplasmatica (CMS)
Femminilizzanti dominanti
(X* nei lemming)
Fattori gametofitici (Ga1 nel mais)
Killer a effetto materno (Medea nei
coleotteri, HSR e scat nei topi)
Killer di gameti (aplotipo t nei topi, SD
in Drosophila, killer di spore nei funghi,
SR nelle mosche, D nelle zanzare)
Inattiva il polline (da cui non viene trasmesso) e così
accresce il successo degli ovuli evitando la depressione
da inincrocio e/o la riallocazione delle risorse.
Esclude tutti gli altri cromosomi paterni dallo zigote,
così convertendo una femmina in un maschio. Può
iffondersi solo nelle popolazioni di specie daplodiploidi
sbilanciate dalla parte femminile.
I cromosomi di derivazione paterna nei maschi
vengono esclusi dalla trasmissione, consentendo il drive
dei geni di derivazione materna. Sembra ora sotto il
controllo nucleare materno, ma la collocazione
(nucleare endosimbiotica) e l’attività (materna,
paterna o zigotica) dei geni originari sono ignote.
Inattiva i prodotti meiotici (gameti, spore)
a cui non è stato trasmesso, accrescendo
così il successo di quelli a cui è stato trasmesso.
Può trovarsi sugli autosomi o sui cromosomi sessuali;
nel secondo caso distorce il rapporto tra i sessi.
Agisce nella madre in modo da uccidere i figli a cui
non è stato trasmesso, così accrescendo il successo
di quelli a cui è stato trasmesso; la sua azione può
essere contrastata dall’allele paterno.
Agisce in modo da inattivare i granuli pollinici
in arrivo che non contengono una copia del gene,
così accrescendo il successo di quelli
che ne recano una copia.
Femminilizza gli individui XY e viene
conseguentemente trasmesso al 67% della prole
assumendo una compensazione completa (perché
la progenie YY muore). In alcune specie X* mostra
anche non disgiunzione nella linea germinale
e viene trasmesso al 100% dei figli.
Tabella 12.1 Le principali classi di elementi genetici egoisti finora scoperte.
Classe (esempi)
Logica/Meccanismo
Distribuzione
Insetti, acari
Imenotteri
Piante
Roditori
Piante
Animali; previsti ma non
ancora osservati nelle piante
Animali, funghi, piante
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Geni in conflitto
Crea una proteina che excide il gene dal genoma
e lo inserisce in un’altra posizione, in modo da
portare all’aumento nel numero di copie.
Crea una nuova copia del gene attraverso
uno stampo di RNA.
Crea una nuova copia del gene attraverso
uno stampo di RNA.
Trascina il cromatidio lungo il fuso durante la prima
divisione meiotica, così accrescendo le probabilità di
essere trasmesso alla cellula uovo evitando il corpo polare.
Cromosoma soprannumerario che realizza il drive
mediante genotassi e/o iper-replicazione.
Influenza il comportamento sociale (specialmente
verso le madri) in un modo che è benefico per sé
ma dannoso per la maggior parte degli altri geni
del medesimo organismo (non soggetti a imprinting
conflitti sia con imprinting opposto). Sorgono
o genica sia sull’imposizione o rifiuto degli imprint
Negli ibridi tra due specie, il genoma aploide
di una specie esclude il genoma aploide dell’altra,
così accrescendo la propria trasmissione.
Quando trasmesso per via paterna agisce
nello zigote in modo da escludere il genoma
materno, così accrescendo la propria trasmissione.
Taglia i cromosomi che non contengono una
copia del gene e viene copiato su di essi come
sottoprodotto del sistema di riparazione del DNA.
Crea una nuova copia del gene
attraverso uno stampo di RNA.
Plasmide circolare che si ricombina durante la replicazione,
consentendo la creazione di molte copie nonostante
la replicazione abbia origine una volta sola.
Mammiferi, piante
Animali, piante
Mais, altri taxa??
Animali, funghi, piante
Animali, funghi, piante
Animali, funghi, piante
Lieviti
Funghi, alghe
Funghi, piante, protesti
Animali, piante
Animali
Inoltre, esistono sequenze che vengono favorite dalla conversione genica sbilanciata (ad esempio, i nucleotidi G e C e le ripetizioni minisatellite), riarrangiamenti cromosomici che hanno una maggiore probabilità di essere trasmessi alla cellula uovo durante la meiosi femminile e mutazioni che accrescono la proliferazione dei lignaggi cellulari o mitocondriali a un costo per l’organismo (ad esempio, i tumori).
Geni soggetti a imprinting
Cromosomi B (2000 specie)
Retrotrasposoni LINE e SINE
(elementi L1 e Alu negli esseri umani)
Retrotrasposoni LTR (elementi Ty
nel lievito,elementi copia in Drosophila)
Neocentromeri (Ab10 nel mais)
Trasposoni a DNA (elementi P
in Drosophila, elementi Ac nel mais)
Introni di gruppo II
soggetti a retrohoming
Plasmidi nucleari (2␮m nel lievito)
Geni HEG (homing endonuclease genes)
(␻ e VDE nel lievito)
Elementi androgenetici
Emicloni ibridogenetici
Riepilogo e direzioni future
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480
Geni in conflitto
DNA consistono, come minimo, di un gene codificante per una trasposasi e di
due estremità da questa riconosciute. Gli elementi retrotrasponibili LTR codificano fino a sei proteine e possiedono regioni cis-attive necessarie per impaccare l’RNA e per altre funzioni. L’elemento Ab10 del mais consiste sia di tratti ripetuti di DNA non codificante sia di geni codificanti che fanno sì che quelle sequenze ripetute operino come centromeri durante la meiosi, trascinandole
lungo l’apparato del fuso. I killer autosomici come t e SD hanno molteplici elementi distorsori trans-attivi che manipolano la trasmissione di un allele responder
cis-attivo, e anche il drive dei cromosomi sessuali coinvolge spesso svariati loci.
In questi ultimi esempi, le diverse componenti non sono situate l’una accanto
all’altra, ma si trovano invece sparse lungo il cromosoma ospite: elementi genetici egoisti distribuiti piuttosto che unitari.
È importante per tali elementi distribuiti che il tasso della ricombinazione
che divide le varie componenti non sia troppo elevato: un’eccessiva ricombinazione impedirebbe l’aumento della loro frequenza. Inoltre, se è presente qualche grado di ricombinazione, vi sarà selezione per ridurla. Il complesso t copre
una regione che nei cromosomi selvatici si ricombina con una frequenza del
20%. Per t questo tasso è notevolmente ridotto, circa allo 0,1%, dall’evoluzione
di quattro inversioni. Troviamo inversioni anche in associazione con molti
cromosomi sessuali distorsori, e qualche genere di blocco della ricombinazione
si osserva nei complessi killer di spore dei funghi Neurospora. La necessità del
linkage tra le diverse componenti di un elemento egoista spiega presumibilmente perché la maggior parte dei killer autosomici si trovi vicino ai centromeri, dove la ricombinazione è spesso ridotta. Vale a dire, le regioni centromeriche sono preadattate per evolvere questi complessi. I geni non collegati all’elemento egoista possono essere selezionati per imporre su di esso la ricombinazione,
ma questo è un conflitto che è spesso facilmente risolto a favore dell’elemento
egoista tramite la semplice evoluzione di inversioni, le quali rendono la ricombinazione costosa per tutte le parti interessate.
Ci si aspetta che i geni egoisti complessi con svariate componenti si siano
evoluti a partire da elementi più semplici, e in certi casi vi è stato chiaramente
un percorso evolutivo di aumento nelle dimensioni e nel grado di complessità.
12.1 Dimensioni degli elementi genetici egoisti. Le dimensioni (o intervalli di dimensioni) illustrate
indicano il gruppo di linkage che viene trasmesso egoisticamente come una singola unità, piuttosto
che le dimensioni dei geni responsabili (che in molti casi sono sconosciute). Ad esempio, nell’esclusione genomica vengono indicate le dimensioni del genoma aploide anziché quelle dei geni al suo interno che causano il drive. Dunque le dimensioni indicano l’estensione di DNA entro cui le mutazioni che
accrescono il drive sono positivamente selezionate.
Riepilogo e direzioni future
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Geni in conflitto
L’aplotipo t si è espanso tramite l’accumulo sequenziale di loci distorsori aggiuntivi, collegati assieme da inversioni. Anche SD ha acquisito i propri intensificatori e modificatori. I trasposoni LINE con due geni derivano chiaramente
dai trasposoni LINE con un gene solo, e i cromosomi B, suggeriamo, potrebbero spesso costituire centromeri espansi, con l’accumulo di sequenze ripetitive.
Tale complessità evolve a causa della selezione per un maggiore drive e per un
inferiore danno all’organismo ospite.
L’evoluzione della complessità dipende anche dalle mutazioni disponibili, le
quali a loro volta dovrebbero dipendere dalle dimensioni dell’elemento egoista e
del suo gruppo di linkage (Fig. 12.1). L’aplotipo t, ad esempio, abbraccia attualmente circa 30 Mb e 300 geni. Una mutazione in qualunque punto di questa regione capace di accrescere il drive può essere selezionata positivamente, così come
qualunque mutazione che accentui gli effetti del drive maschile procurando ai maschi vantaggi sesso-antagonisti nella sopravvivenza o nella riproduzione. Il complesso t può crescere in dimensioni nel corso del tempo evolutivo anche acquisendo
ulteriori inversioni, con un esiguo costo immediato. Anche i cromosomi sessuali
egoisti, in particolare i cromosomi X, dispongono di diverse risorse genomiche con
cui lavorare. E i mitocondri delle piante, contenenti fino a quaranta geni codificanti per proteine, apparentemente hanno maggiori probabilità di evolvere geni CMS
rispetto alle probabilità che hanno i mitocondri delle specie animali, con i loro 1213 geni, di evolvere qualcosa di equivalente (CMS negli ermafroditi, suicido dei maschi nelle specie con sessi separati). Il limite superiore per le dimensioni di un “elemento” egoista parrebbe essere la metà del genoma diploide – la metà che esclude
l’altra nei sistemi come la perdita del genoma paterno e l’androgenesi.
All’estremo opposto vi sono i geni HEG, che hanno subito pressioni selettive
costanti per dimensioni sempre più piccole al fine di accrescere le probabilità
di essere copiati con successo dal sistema di riparazione del DNA degli organismi
ospiti. Anche gli elementi trasponibili sono solitamente selezionati per ridotte
dimensioni, a giudicare dalla loro organizzazione generalmente compatta. La
considerevole complessità adattativa dei geni HEG e degli elementi trasponibili
è invece dovuta al tempo che hanno avuto a disposizione – forse un miliardo di
anni o più, in confronto a tre milioni di anni per l’aplotipo t e a 60 000 anni
per un emiclone di Poeciliopsis monacha. Inoltre, dato che i geni HEG e gli elementi trasponibili sono piccoli e di fatto indipendenti dal genoma dell’ospite, la
selezione può operare più efficacemente sulle mutazioni che avvengono in essi
che non su quelle che si verificano nell’aplotipo t, dove la selezione sui vari
geni vantaggiosi per l’ospite contenuti nella regione talvolta interferisce con
quella sul drive. I cromosomi B combinano la mancanza di linkage con deboli
vincoli sulle dimensioni, e potrebbero pertanto avere l’opportunità maggiore
Riepilogo e direzioni future
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di accrescere il proprio grado di complessità; ma non è chiaro quale sia l’età di
ciascun cromosoma B e le prove attualmente disponibili suggeriscono che la
complessità dipende in gran parte da tratti ripetuti di DNA non codificante.
Collocazione. Per alcune classi di geni egoisti, la loro modalità di azione richiede che essi si trovino in una determinata posizione nel genoma ospite. Se
dividiamo il genoma in compartimenti (autosomi, cromosomi X, cromosomi
Y e citoplasma), alcuni geni si diffondono solo se si trovano nel compartimento
giusto. In molte piante un gene per la maschio-sterilità si diffonde se è situato
nel compartimento citoplasmatico, ma non se si trova nel nucleo. Un femminilizzante dominante come quello che si osserva nei lemming si diffonde se è
collocato sul cromosoma X (o nel citoplasma), ma non se si trova in qualunque
altra posizione. In altri casi si osserva una tendenza senza che ne sia chiara la ragione. Ad esempio, perché i geni HEG e gli introni di gruppo II sono in gran
parte o esclusivamente limitati agli organelli?
Anche all’interno di un compartimento genomico, può essere importante
dove precisamente l’elemento egoista sia posizionato. I geni HEG devono trovarsi nel mezzo della loro stessa sequenza di riconoscimento, o a una distanza di poche coppie di basi. Se si sposta un gene HEG in un’altra parte del genoma senza
cambiare la sua sequenza di riconoscimento, esso non si diffonderà. Ab10 e altri
noduli egoisti del mais hanno una maggiore probabilità di finire nella cellula
uovo solo se non sono completamente collegati al centromero. Invero, essi funzionano nel modo migliore quando vi è esattamente un crossover tra loro e il
centromero, il che li colloca in una posizione ottimale su ciascun cromosoma.
Per contro, i killer autosomici tipicamente si formano vicino al centromero.
Meccanismo. Negli ultimi vent’anni sono stati compiuti progressi straordinari
nella nostra comprensione dei meccanismi che governano il funzionamento di
alcuni geni egoisti. Disponiamo oggi di modelli strutturali a livello atomico di
geni HEG legati ai loro siti di riconoscimento, e di modelli molecolari dettagliati
di vari passaggi in diversi processi di trasposizione. Nel caso dell’imprinting, oggi
sappiamo che la metilazione differenziale del DNA gioca un ruolo chiave. Ma per
molte classi di geni egoisti (ad esempio, i fattori Medea nei coleotteri, i fattori gametofitici nelle piante, SR, X*, i cromosomi B e i vari sistemi di esclusione genomica) non abbiamo nessuna idea di come operino a livello molecolare.
È anche vero che più sappiamo dei meccanismi molecolari, più vorremmo
sapere. Ora che sappiamo che l’imprinting genomico coinvolge l’applicazione,
il mantenimento e la lettura di imprint epigenetici, vorremmo conoscere le interazioni tra le componenti di questo sistema, e come potrebbero entrare in
484
Geni in conflitto
conflitto. Ora che siamo a conoscenza dei geni coinvolti nel complesso SD,
vorremmo sapere come riescono a colpire solo metà degli spermatozoi, o nel
caso dei geni coinvolti nella CMS, come riescono a colpire solo la produzione di
polline e non altri aspetti dello sviluppo. Ora che sappiamo come i geni HEG si
legano al DNA, vorremmo studiare il modo di progettare nuovi geni HEG, da
utilizzare magari nella terapia genica o nell’ingegneria genetica delle popolazioni. Comprendere le basi meccaniche dell’azione egoista è importante sia di per
sé sia per ciò che tale conoscenza rivela circa i processi evolutivi che hanno
dato forma all’elemento.
Negli ultimi vent’anni si è anche assistito a un notevole aumento nella varietà degli elementi genetici egoisti descritti. È facile prevedere che anche questa tendenza andrà avanti. Nuove sottoclassi di elementi trasponibili vengono
definite continuamente, e intense ricerche riveleranno sicuramente nuovi casi
di killer autosomici, di neocentromeri, di esclusione genica, e così via. I conflitti basati sull’imprinting potrebbero essere estesi a nuovi taxa – i funghi filamentosi, ad esempio, o gli insetti eusociali – e a nuovi fenotipi – dispersione o
vita mentale cosciente. E che dire riguardo a fenomeni ben noti con un aspetto egoista che non è ancora stato riconosciuto? Ad esempio, nominiamo l’rDNA
come uno dei primi candidati per un DNA funzionale che potrebbe anche avere una componente egoista. Molteplici copie sono disseminate nel genoma e il
loro numero varia enormemente da specie a specie (essendo correlato positivamente con le dimensioni del genoma). L’effetto di una nuova mutazione in
una di quelle copie sulle funzioni dell’organismo ospite sarà probabilmente di
lieve entità, e la conversione genica sbilanciata potrebbe quindi giocare un ruolo importante nel destino delle nuove mutazioni. Sappiamo inoltre che l’rDNA
invade elementi egoisti come i cromosomi B e il DNA linea germinale-specifico.
Esistono altre classi completamente nuove di geni egoisti che devono ancora essere scoperte? La risposta a questa domanda dipende in parte da ciò che intendiamo per “completamente nuove”. Il fatto che alcune nuove categorie importanti – come i killer a effetto materno e gli elementi androgenetici – siano
state scoperte solo negli ultimi quindici anni suggerisce che molte sorprese ci
attendono in futuro. Abbiamo ipotizzato nuovi modi in cui i cromosomi sessuali potrebbero attuare il drive sfruttando aggiustamenti facoltativi del rapporto
tra i sessi. A completare il quadro dei killer gametici e dei killer a effetto materno, forse qualcuno un giorno descriverà un killer di fratelli – un gene che uccide i fratelli diploidi che non ne contengono una copia. Ed è probabile che killer a effetto materno collegati ai cromosomi sessuali vengano scoperti nelle specie vivipare a eterogametia femminile (come i serpenti). È anche piuttosto
misterioso il fatto che non sia ancora stato scoperto alcun cromosoma B killer
Riepilogo e direzioni future
485
con un sistema veleno-antidoto analogo a quelli che si osservano nei plasmidi
batterici, o che non vi siano elementi trasponibili che attuano il self-splicing al livello dell’RNA o delle proteine. Forse un giorno anche questi verranno scoperti (o la loro assenza spiegata). Allo stesso modo, saremmo sorpresi se non venissero scoperti effetti egoisti del cromosoma X verso i consanguinei, essendo tale
cromosoma solitamente robusto in dimensioni e contenuto genico, diversamente dall’mtDNA e, spesso, dai cromosomi Y.
Geni egoisti e riproduzione sessuata
Una caratteristica che praticamente tutti gli elementi genetici egoisti hanno in
comune è il loro fare assegnamento sulla modalità sessuata di riproduzione degli organismi ospiti – di fatto, gli elementi genetici egoisti sono stati descritti
come le originarie malattie trasmesse per via sessuale. Anche il sistema di accoppiamento della popolazione ospite è importante, in particolare se vi sia una
prevalenza di inincrocio o di esincrocio, sebbene gli effetti varino tra le diverse
classi di elementi egoisti: alcuni tipi si diffondono più velocemente e persistono
più a lungo nelle specie esincrociate, mentre altri hanno più successo in quelle
con un certo grado di inincrocio. Ci si aspetta anche che gli elementi egoisti
influenzino i processi di selezione sessuale, sebbene tali effetti siano stati finora
poco studiati.
Riproduzione sessuata e asessuata. Per alcuni tipi di elementi genetici egoisti,
la dipendenza dalla modalità sessuata di riproduzione degli organismi ospiti è
evidente. Non è possibile sfruttare un’asimmetria nella meiosi se non vi è alcuna meiosi. Un gene non può procurarsi un vantaggio inattivando i gameti contenenti l’allele alternativo se non esiste alcun gamete, e non può agire su relazioni di parentela di minoranza se il genoma viene trasmesso en masse e i rapporti di parentela sono uniformi attraverso il genoma.
Ma l’importanza della riproduzione sessuata va al di là di questi effetti evidenti. Persino gli elementi trasponibili e i cromosomi B, che possono accumularsi nelle cellule mitotiche, non saranno in grado di persistere in una linea di
discendenza completamente asessuata se sono dannosi per l’organismo ospite.
In una linea di discendenza siffatta l’intero genoma viene trasmesso intatto da
una generazione alla generazione successiva e agisce come unità di selezione.
Se esistessero elementi genetici egoisti nell’ambito di una specie clonale, le diverse linee di discendenza sarebbero inevitabilmente investite di un costo differenziale e vi sarebbe selezione tra di esse a favore di quelle che pagano un costo
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Geni in conflitto
inferiore. Nelle discendenze con elementi particolarmente attivi, la frequenza
dell’elemento potrebbe aumentare nelle generazioni, ma tali lignaggi scomparirebbero gradualmente dalla popolazione rimpiazzati da quelli con elementi
meno attivi. È possibile che un elemento trasponibile persista indefinitamente
in una specie a riproduzione asessuata, ma solo nel caso in cui esso sia vantaggioso per la linea di discendenza ospite. Un simile elemento non attirerebbe
l’evoluzione di soppressori e sarebbe inappropriato definirlo egoista. Sequenze
omologhe a elementi trasponibili sono state trovate nei rotiferi bdelloidei, animali a riproduzione sessuata presumibilmente antichi, ma se siano o meno ancora mobili è un fatto per il momento sconosciuto.
La medesima logica si applica anche all’evoluzione dei meccanismi di trasposizione nell’ambito delle specie a riproduzione sessuata. È facile immaginare un gene codificante per una proteina che riconosce quel gene e ne crea copie in tandem, una accanto all’altra. Un gene siffatto potrebbe espandersi fino a
contare decine, centinaia o migliaia di copie in un singolo sito, ma la selezione
guiderà quella schiera di copie all’estinzione a meno che esse non siano utili all’organismo o vengano separate l’una dall’altra dalla ricombinazione meiotica.
Pertanto, gli unici elementi trasponibili che vediamo sono quelli che creano
copie figlie che vengono disperse lontano dalla copia parentale.
L’incapacità degli elementi egoisti di diffondersi in una popolazione a riproduzione asessuata probabilmente spiega anche perché i geni nucleari impongano l’eredità uniparentale sui loro organelli, fatto talvolta che porta uno dei due
sessi (solitamente quello maschile) a sabotare i propri mitocondri per evitare
che vengano trasmessi alla progenie. L’eredità uniparentale riduce il rischio di
trasmettere un organello a replicazione veloce ma per gli altri aspetti difettoso
(anche se come effetto collaterale genera conflitti sull’allocazione delle risorse
riproduttive). La necessità di riproduzione sessuata spiega anche perché un plasmide egoista dei mitocondri delle muffe mucillaginose si sia evoluto in modo
da ripristinare l’eredità biparentale (Kawano et al., 1991).
Inincrocio ed esincrocio. Per molti aspetti un’autofecondazione completa
equivale alla riproduzione asessuata, e ci aspettiamo che tale condizione sia altrettanto inospitale per gli elementi genetici egoisti. Ciò risulta più immediatamente evidente nel caso di elementi egoisti come l’aplotipo t o i geni HEG che
attuano il drive solo negli eterozigoti, così che qualunque cosa riduca la frequenza degli eterozigoti – come l’inincrocio– diminuisce la portata del drive. A
parità di tutte le altre condizioni, questi tipi di elementi egoisti si diffonderanno
più rapidamente nelle popolazioni esincrociate che non in quelle inincrociate,
e tale effetto è stato sperimentalmente dimostrato per un gene HEG e per un
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plasmide del lievito. Il fatto di ridurre il rischio di acquisire nuovi elementi
egoisti potrebbe anche essere una ragione importante per cui i lieviti privilegiano l’accoppiamento per inincrocio. Ironicamente, l’assai efficiente sistema
di inincrocio nei lieviti poggia su un sistema di commutazione del tipo sessuale che a sua volta dipende da un gene HEG addomesticato. Riducendo la portata del drive, l’inincrocio seleziona anche per elementi meno attivi (vale a dire,
più benigni), nella misura in cui vi è un compromesso tra il drive e il danno arrecato all’ospite.
La distribuzione degli elementi egoisti in funzione del sistema di accoppiamento dell’ospite è stata studiata nel modo più approfondito per i cromosomi
B delle piante da fiore. Le specie esincrociate hanno maggiori probabilità di recare un cromosoma B delle specie inincrociate. In realtà, la teoria e i dati sono
talmente convincenti che qualunque eccezione – qualunque specie con elevato
grado di inincrocio recante un cromosoma B – rappresenterebbe un candidato
promettente per un cromosoma B benefico. A un livello più speculativo, abbiamo suggerito che i trasposoni a DNA e gli elementi LINE sono assenti nel lievito del pane perché troppo dannosi per persistere in una specie con un grado
così elevato di inincrocio. I retroelementi LTR che di fatto esistono nel lievito
hanno caratteristiche insolite in quanto mostrano adattamenti complessi per
bersagliare rifugi sicuri nel genoma dove hanno minori probabilità di risultare
nocivi. Per altre classi di elementi genetici egoisti, l’associazione con il sistema
di accoppiamento è meno chiara, e potrebbero esservi addirittura indizi di una
tendenza opposta. Podospora anserina è una specie fungina pseudo-omotallica
che si autofeconda prontamente in laboratorio e che presumibilmente ha un
alto grado di inincrocio in natura, ma che nonostante ciò possiede una grande
quantità di geni HEG e di killer di spore. Entrambi questi tipi di elementi hanno
solitamente effetti minimi sugli organismi ospiti e pertanto ci si potrebbe aspettare che giungano a fissazione, persino nelle specie altamente (ma non esclusivamente) inincrociate. Successivamente potrebbero degenerare a causa della
mancanza di bersagli da colpire. Può darsi che riducendo l’efficacia del drive, l’inincrocio ritardi la degenerazione di questi geni egoisti e aumenti la loro persistenza nel tempo, rendendoli più abbondanti.
Il sistema di accoppiamento interagisce anche in modi interessanti con gli
elementi egoisti che alterano il rapporto tra i sessi. L’inincrocio tipicamente seleziona per un rapporto tra i sessi sbilanciato dalla parte delle femmine, e quindi in linea di principio potrebbe selezionare a favore degli autosomi che avvantaggiano i cromosomi X distorsori. I casi meglio studiati di cromosomi sessuali
distorsori riguardano specie esincrociate (mosche, zanzare e lemming), e sono
pertanto controselezionati dagli autosomi. Ma alcune specie inincrociate di ra-
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Geni in conflitto
gni hanno cromosomi X distorsori, sebbene non sia noto se questo drive sia governato dal cromosoma X o dagli autosomi (o da entrambi). Alcuni taxa che
esibiscono il fenomeno della perdita del genoma paterno (PGL) sono inincrociati, e il sistema potrebbe essersi inizialmente evoluto negli antenati a eterogametia maschile con lo scopo preciso di produrre più figlie femmine. In realtà, è
teoricamente possibile in questo caso che i geni inizialmente coinvolti si trovassero nel genoma paterno ed escludessero se stessi – geni autosacrificali piuttosto che egoisti.
Ci si aspetta che anche i geni per la CMS abbiano più successo nelle specie
(parzialmente) inincrociate, ma non perché producono un rapporto tra i sessi
sbilanciato dalla parte femminile (per quanto facciano anche questo). Piuttosto,
è perché essi sono selezionati per abortire la produzione di polline in presenza
di qualunque livello di autofecondazione e di depressione da inincrocio, laddove i geni nucleari promuovono l’aborto del polline solo se il tasso di autofecondazione e la depressione da inincrocio sono entrambi sostanziali. Qui abbiamo un gene egoista che manipola il sistema di accoppiamento della specie
ospite, e tale manipolazione ha effetti di rimbalzo per la diffusione di praticamente tutti gli altri tipi di geni egoisti. Conformemente alle previsioni, la CMS
sembra essere diffusa in massimo grado nelle specie parzialmente inincrociate e
rara in quelle autoincompatibili, per quanto occorra un accurato lavoro comparativo per verificare tale conclusione. Anche i fattori gametofitici nelle piante sembrano avere maggiori probabilità di stabilirsi nelle specie parzialmente
inincrociate che non in quelle con esincrocio obbligato, sebbene non sia ancora disponibile alcun dato per controllare questa ipotesi.
Ci si aspetta che i conflitti tra i geni di un organismo in merito all’inincrocio e all’esincrocio siano diffusi, benché finora non sia disponibile alcuna prova
diretta. Così, negli animali, si prevede che i costi e i benefici dell’inincrocio
differiscano tra i cromosomi X, Y e gli autosomi, e tra i geni di derivazione materna e paterna, con tendenze relative opposte nei maschi e nelle femmine. Se
tali conflitti abbiano effettivamente portato a dinamiche evolutive interessanti è
un fatto per ora sconosciuto. La recente dimostrazione del coinvolgimento dell’imprinting nel riconoscimento dell’MHC da parte delle donne potrebbe fornire qualche indizio in merito a quali possibilità siano aperte.
Procarioti ed eucarioti. L’importanza della riproduzione sessuata per l’evoluzione degli elementi genetici egoisti può essere apprezzata anche confrontando
i genomi di organismi procarioti ed eucarioti. Non abbiamo esaminato in questo libro la gamma straordinaria di elementi genetici mobili scoperta nei batteri, e la comprensione della storia evolutiva di questi elementi soffre di un certo
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ritardo rispetto a quella relativa agli eucarioti. Nondimeno, una chiara differenza è che la distinzione relativamente netta negli eucarioti tra geni mendeliani
stabili che giovano all’organismo ospite e geni mobili distorsori che lo danneggiano non vale per i procarioti. I plasmidi batterici non solo portano geni necessari per la propria trasmissione ma contengono anche geni chiaramente benefici per l’organismo ospite. Questi tendenzialmente non sono geni housekeeping essenziali, quanto piuttosto geni la cui utilità risulta ecologicamente
contingente. Lo stesso vale per gli elementi trasponibili dei batteri. È possibile
che le opportunità relativamente limitate che hanno questi elementi di trasferirsi da una cellula a un’altra – l’equivalente batterico del drive – significhi che
gli elementi puramente egoisti che non sono mai d’aiuto all’organismo sono
spesso incapaci di diffondersi e di persistere nelle popolazioni. Negli eucarioti,
la regolare riproduzione sessuata dà a tali elementi la possibilità di persistere e,
suggeriamo, incoraggia il drive al punto che l’aumentato costo implicato nella
codifica di un gene benefico per l’ospite richiama di solito una selezione contraria.
Questa distinzione tra procarioti ed eucarioti non è assoluta. Alcuni elementi trasponibili degli eucarioti potrebbero avere evoluto promotori che operano
in modo da produrre occasionalmente una mutazione benefica. Alcuni funghi
patogeni possiedono cromosomi B contenenti geni con effetti virulenti ospitespecifici, e alcuni lieviti hanno repliconi di RNA codificanti per tossine che uccidono le altre cellule di lievito. E i batteri hanno sia introni di gruppo II capaci di
retrohoming sia geni HEG che potrebbero essere genuinamente egoisti. Un fatto
interessante è che gli introni di gruppo II sono tipicamente associati alla frazione
più mobile del genoma batterico – i plasmidi e i trasposoni. E i geni HEG batterici solitamente bersagliano geni housekeeping stabili ma si ritrovano in batteri
con sistemi riproduttivi inconsueti – ad esempio negli archeobatteri con fusione
cellulare e nei micobatteri con la loro insolita forma di coniugazione cromosomica. Esistono anche prove del fatto che i geni HEG possono giovare alle cellule
batteriche nelle colture miste, magari uccidendo i batteri rivali che non contengono il gene (esaminate in Burt e Koufopanou, 2005).
L’evoluzione della meiosi. In confronto alle modalità unidirezionali di trasferimento genico che si osservano tipicamente nei batteri – trasformazione, trasduzione e coniugazione – la caratteristica preminente della riproduzione sessuata negli eucarioti è l’irreggimentata simmetria e l’equità che (solitamente)
mostra la segregazione mendeliana. È facile immaginare che queste caratteristiche si siano evolute per accogliere elementi genetici egoisti e promuovere geni
benefici per l’organismo, ma sappiamo così poco circa l’evoluzione della meio-
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Geni in conflitto
si che è impossibile dire qualcosa di più preciso finché non disporremo di maggiori informazioni sul meccanismo molecolare sottostante. Quello che sappiamo è che una componente fondamentale della meiosi, la ricombinazione, produce di fatto la sua stessa debole forma di drive: la conversione genica sbilanciata. Le sequenze in corrispondenza delle quali è avviata la ricombinazione
vengono perse come sottoprodotto del processo, conferendo alle sequenze ricombinofobiche un vantaggio di trasmissione. Per questa ragione possono esservi conflitti tra le componenti cis- e trans-attive del macchinario ricombinazionale, ed è probabile che la ricombinazione sia qualcosa di imposto su una sequenza di DNA piuttosto che qualcosa che essa si è evoluta per attrarre. La
dinamica risultante potrebbe spiegare l’acquisizione e la perdita di punti caldi e
punti freddi nel corso del tempo evolutivo. Sebbene il meccanismo porti di fatto a conflitti, si può immaginare che questa sia una situazione più stabile e salutare per la linea di discendenza ospite rispetto alla situazione opposta, in cui le
sequenze ricombinogeniche godono di un vantaggio di trasmissione.
Selezione sessuale. Con la riproduzione sessuata viene la selezione sessuale,
ma il suo ruolo nell’evoluzione degli elementi genetici egoisti rimane per la
maggior parte oscuro. Esistono indizi intriganti di alcune tendenze nella scelta
del partner sessuale. I maschi e le femmine eterozigoti per t, che sono gli individui più danneggiati dall’accoppiamento con un altro topo portatore di t, sono
anche, per parte loro, i più restii a farlo. In condizioni limitate di affollamento e
alta competizione tra maschi senza possibilità di emigrazione, i maschi t hanno
scarsissimo successo. Le femmine di D. pseudoobscura non compiono discriminazioni nei loro primi accoppiamenti ma in quelli successivi sembrano evitare i
maschi SR. Nelle mosche della famiglia delle Diopsidae (stalk-eyed flies), i maschi con cromosomi X distorsori hanno meno successo nella competizione per
l’accoppiamento rispetto a quelli privi di tali cromosomi. D’altro canto, è sorprendente che non vi siano buoni esempi di situazioni in cui l’attrattiva o il
successo dei maschi nella competizione con altri maschi risultano negativamente influenzati dal possesso di cromosomi B. Tra le piante, una delle principali
forme di drive si verifica alla prima mitosi del granulo pollinico nelle graminacee: i cromosomi B evitano il nucleo che costruisce il tubetto pollinico e finiscono invece nel nucleo generativo, così trovando un mezzo per diffondersi
durante un periodo di selezione sessuale. È possibile che gli individui (soprattutto i maschi) con un numero relativamente superiore di inserzioni di elementi trasponibili abbiano meno successo nella competizione per l’accoppiamento?
Nessuno lo sa.