Ultimo aggiornamento: September 2023
Comparative genomicsQuest for orthologs
Banana split - Storia
Sapevate che noi esseri umani condividiamo circa il 98% dei geni con gli scimpanzé? Ma quanti ne condividiamo con la banana?
La versione italiana di questa storia è stata prodotta in collaborazione con BioPills.
Il contesto
Noi esseri umani condividiamo circa il 98% dei nostri geni con gli scimpanzé, che sono spesso considerati i nostri "cugini" più vicini. In effetti, scimpanzé ed esseri umani hanno molte caratteristiche in comune: chiunque abbia visto il film “Il pianeta delle scimmie” se ne sarà accorto!
Ma sapevate che noi condividiamo anche alcuni geni con la banana? La presenza di questi geni è la prova che tutti gli organismi viventi sono relazionati tra loro.
Umano, scimpanzé e banana
Gli esseri umani e gli scimpanzé hanno un'ampia percentuale di geni in comune, poiché il loro antenato comune è vissuto circa 6 milioni di anni fa.
L’antenato comune dell'uomo e della banana è invece vissuto molto prima, circa 1,5 miliardi di anni fa… ossia durante il banana split..
Dunque, ci si aspetterebbe che i geni in comune tra l'uomo e la banana siano molti di meno di quelli in comune con lo scimpanzé!
In che percentuale sei una banana?
Una semplice ricerca su Internet vi dirà che gli esseri umani e la banana hanno in comune tra il 17% e il 50% del DNA.
È vero? Perché i valori sono così diversi? Che cosa si intende quando si parla di "percentuale di DNA in comune"? Come si può calcolare questa percentuale?
Fonte (EN): "Neil Saunders: 50% banana" - "Do humans share 50 % of their dna with bananas?" - "The banana conjecture"
DNA in comune… o geni in comune?
Un modo per conoscere la percentuale di DNA in comune tra l’uomo e la banana sarebbe quello di allineare i rispettivi genomi nella loro interezza. Così facendo, potremmo confrontare TUTTE le 3 miliardi di lettere A, T, C e G che compongono la sequenza del genoma umano con TUTTE le 472 milioni di lettere A, T, C e G che compongono la sequenza del genoma della banana, e determinare così la percentuale di somiglianza!
Questi confronti sono già stati effettuati allineando il genoma umano con il genoma completo di altre specie. Ne è risultato ad esempio che il genoma umano è simile al 91% a quello dello scimpanzé, al 33% a quello del topo e all’1% a quello del pesce zebra.
Fonte (EN): Ensembl Compara (Human-Chimp, Human-Mouse, Human-Zebrafish)
Più due specie sono distanti nell’evoluzione, minore è la percentuale di genomi allineabili. Per le piante, questa percentuale sarà quindi inferiore all’1%!
Allineare l’intero genoma umano con quello della banana (che è 6 volte più piccolo) è quindi un compito arduo… e, nel nostro caso, non ha necessariamente senso!
Perché?
Un po’ come i diversi capitoli di un libro di ricette, i genomi sono composti da diverse regioni, ognuna delle quali ha una funzione biologica specifica. Queste regioni non sono sempre distribuite nello stesso ordine nei genomi delle diverse specie: alcune sono state duplicate, mentre altre sono scomparse nel corso del tempo. Dunque, è fondamentale confrontare solo ciò che è confrontabile!
Per tornare alla metafora del libro di ricette, sarebbe inutile confrontare la ricetta della torta al cioccolato di Auguste Escoffier con quella della maionese o del banana split di Paul Bocuse, anche laddove fossero sulla stessa pagina!
Inoltre, va anche tenuto bene in mente che non tutte le regioni di un genoma evolvono alla stessa velocità! Ad esempio, le regioni che codificano per le proteine, ossia i geni (e, in particolare, le regioni dei geni chiamate esoni) sono soggette a una maggiore pressione selettiva; dunque, esse accumulano nel tempo meno mutazioni rispetto invece alle regioni del genoma situate tra i geni o negli introni.
Le regioni codificanti proteine (e in particolare gli esoni) sono quindi generalmente più conservati tra le specie. È vero che esse rappresentano una percentuale molto piccola dell’intero genoma degli organismi (meno del 2% nell’uomo) ma, essendo altamente conservate, il loro confronto permette di ottenere la più alta percentuale di similarità. Nel nostro caso, ciò che ha più senso considerare sono quindi i geni, piuttosto che l’intero DNA.
Il calcolo della percentuale di geni (o dei loro esoni) in comune con l’uomo è già stato fatto appunto per lo scimpanzé (~100 %), ma anche per il topo (97 %) e per il pesce zebra(58 % )
Confrontare ciò che è comparabile: un esempio
Ecco due diverse sequenze nucleotidiche presenti nel genoma della banana. Esse sono state confrontate con tutte le sequenze presenti nel genoma umano e i nucleotidi in comune (ossia, che “mappano”) tra l’uomo e la banana sono evidenziati in blu.
A sinistra: la sequenza corrisponde a una regione non codificante del genoma della banana. Le mutazioni accumulate nel tempo nelle regioni non codificanti hanno messo a dura prova la capacità dei programmi bioinformatici di individuare le aree confrontabili (o “allineabili”). Il calcolo della percentuale di somiglianza è dunque molto complicato.
A destra: la sequenza corrisponde a una regione codificante del genoma della banana, in comune (o ortologa) al gene TBB8 umano. I nucleotidi in blu appartengono tutti ad aree confrontabili e il calcolo della percentuale di similarità ha dunque senso.
In conclusione, per calcolare la percentuale di DNA condivisa tra uomo e banana, abbiamo scelto di confrontare tra loro i geni in comune delle due specie. Questi geni in comune sono chiamati ortologhi.
La ricerca degli ortologhi tra uomo e banana
I programmi che utilizziamo per individuare gli ortologhi tra organismi non confrontano le sequenze di DNA dei geni (esoni), ma piuttosto le sequenze delle proteine corrispondenti. Ogni gene è infatti associato a una sequenza proteica “rappresentativa”, che consente di estrapolare il numero di geni omologhi a partire dal numero di proteine omologhe .
Nel caso dell’uomo e della banana, abbiamo confrontato, a due a due, 20.430 sequenze di proteine umane con 36.439 sequenze di proteine della banana.
Abbiamo poi utilizzato tre metodi bioinformatici per trovare gli ortologhi: OMA, OrthoInspector e BLAST.
Tutti e tre questi metodi utilizzano la percentuale di somiglianza tra le sequenze (insieme ad alcuni criteri statistici) per determinare se due geni sono ortologhi tra loro oppure no.
Ecco ad esempio una parte dell’allineamento tra una proteina umana e una proteina del banano che sono state individuate come ortologhe (gene TUBB8). Trovate le differenze! (Fonte)
A questo punto, abbiamo diviso il numero di ortologhi trovati per il numero totale di geni presenti nel genoma dell’uomo e della banana e ne abbiamo ricavato la media, così da ottenere la percentuale di geni condivisi.
Qui trovate un esempio di calcolo:
Ogni cerchio rappresenta ~ 1.000 geni.
I cerchi gialli rappresentano i geni condivisi tra l’uomo e la banana.
Domanda:
1. Quale percentuale di geni umani è in comune con la banana?
2. Quale percentuale di geni della banana è in comune con l’uomo?
Va inoltre considerato che un gene può essere presente in più copie nel genoma di un specie: questo è il motivo per cui il numero di cerchi gialli (geni ortologhi) non è lo stesso tra l’uomo e la banana!
Risposta
5.000 geni / 20.000, cioè il 25% dei geni umani sono in comune con quelli della banana.
9.000 geni / 36.000, cioè il 25% dei geni della banana sono in comune con quelli dell’uomo.
Per i calcoli, abbiamo scelto di prendere la media di queste due percentuali.
I risultati ottenuti dai ricercatori
A seconda del metodo bioinformatico utilizzato, tra i 3.400 e i 4.900 geni sono comuni all’uomo e alla banana. Ciò rappresenta tra il 17% e il 25% dei geni umani.
Insomma, noi esseri umani abbiamo il 98% dei geni in comune con lo scimpanzé, il 94% con il topo, il 72% con il pesce zebra… e circa il 25% dei geni in comune con la banana (secondo il metodo OMA)!
Sebbene questa percentuale sia stata calcolata analizzando meno del 2% del genoma umano (ossia le regioni codificanti/esoni), questo numero non è affatto trascurabile!
Infatti, ciò significa che i geni ortologhi dell’uomo e della banana sono rimasti più o meno simili tra loro per 1,5 miliardi di anni di evoluzione!
Qual è la funzione degli ortologhi uomo/banana?
Una volta trovati gli ortologhi, abbiamo esaminato la funzione di ciascuno di essi. Questo tipo di informazione si trova in database appositi, come UniProtKB.
Non sorprende che le proteine in comune tra l’uomo e la banana siano principalmente coinvolte in processi metabolici di base, come l’espressione genica, il metabolismo dei grassi (lipidi) o la modifica dell’RNA (splicing).
Anche se l'uomo e la banana si sono separati 1,5 miliardi di anni fa, il 25% dei geni è rimasto comunque simile tra le due specie. Questi geni, in particolare, sono responsabili delle funzioni biologiche essenziali per la vita di tutti gli organismi eucarioti. Insomma, i geni che l’uomo e la banana hanno in comune e i geni che invece si sono differenziati nel corso del tempo rappresentano il frutto (o la banana) dell’evoluzione!
