Gli elementi genetici egoistici ( ESMS per elementi genetici egoisti ) sono sequenze di DNA codificanti o non codificanti che possono comunque estendersi a microrganismi o organelli favorendone la propria trasmissione a scapito del resto del genoma dell'organismo. I loro effetti sull'organismo ospite (portatore di SGE) sono molto spesso neutri o addirittura dannosi.
Esistono molti cosiddetti elementi genetici egoistici che hanno vari meccanismi che favoriscono la propria trasmissione: elementi trasponibili (TE) , elementi che inducono una conversione genica parziale o bias meiotici ( drive meiotico ), distorsori post-segregazione ma anche microrganismi e organelli ereditabili.
Gli EMS sono stati oggetto di una lunga controversia storica.
Nel 1947, Ostergren indica che i cromosomi soprannumerari (chiamati anche cromosomi B) hanno un meccanismo che induce un bias nella meiosi. I cromosomi B sembravano comportarsi come parassiti genetici, quindi per la prima volta un elemento genetico è stato considerato parassitario.
Nel 1976, Dawkins ha introdotto il termine "gene egoista" nel suo libro The Selfish Gene . Considerava tutti i geni egoisti, nel senso che sono selezionati per produrre un fenotipo che aumenterebbe la loro frequenza nelle generazioni future.
Nel 1988, sebbene questi concetti fossero ancora contrari all'opinione della maggior parte dei biologi molecolari, è emerso il modello degli elementi genetici egoistici o SGE. Questo modello descrive la possibilità di interazioni tra elementi genetici dello stesso genoma: cooperativo ( mutualismo ), neutro ( commensale ) o anche egoista ( parassitario ). Da queste interazioni possono quindi derivare conflitti genetici quando gli elementi in questione differiscono nella loro trasmissione. Quando la trasmissione di determinati elementi avviene a danno di una parte del genoma o dell'individuo stesso, si parla di “elemento genetico egoista”.
Per il resto verrà mantenuto il modello del 1988.
Tra questi conflitti genetici, possiamo distinguere conflitti intra-genomici (tra elementi dello stesso genoma) come bias meiotici o trasposoni e conflitti intergenomici (tra genomi diversi) come organelli e altri microrganismi.
Ancora oggi si scopre che molti elementi genetici sono egoisti nei taxa più diversi: batteri, animali e piante.
Tra questi elementi si possono citare: plasmidi , virus endogeni ed elementi trasponibili (TE) .
Incoraggiandone l'acquisizione e il mantenimento nel batterio ospite, il plasmide è un esempio di elemento genetico mobile che può essere descritto come egoista. Questo elemento è noto per essere in grado di fornire effetti benefici nel loro ospite. L'esempio più notevole sarebbe la resistenza agli antibiotici .
Gli elementi trasponibili hanno la capacità di duplicarsi e spostarsi, il che può portare al loro accumulo nel genoma dell'ospite. Le loro duplicazioni e i loro inserimenti casuali possono infatti interrompere le sequenze codificanti o le regioni di regolazione cis; sono quindi considerati mutageni. Questi effetti dannosi si aggiungono al costo energetico che generano nella cellula ospite durante la loro trascrizione e traduzione . Di conseguenza, c'è una forte selezione nel genoma eucariotico per promuovere l'evoluzione di un macchinario che sopprime l'attività degli elementi trasponibili.
In risposta a questo meccanismo di soppressione istituito nella cellula, i TE sviluppano i propri meccanismi per mantenersi nel genoma del loro ospite secondo il principio della "corsa agli armamenti" .
Tra questi meccanismi, gli TE possono occupare posti "rifugio" nel genoma. Questi rifugi possono essere una posizione nel genoma in cui l'ospite non può spostare o eliminare l'inserto o un luogo che riduce il costo dell'idoneità dell'ospite.
Così gli elementi inseriti vicino ai geni che codificano le proteine sono meno eliminati perché questo potrebbe indurre conseguenze dannose per il gene adiacente. In un luogo di rifugio, gli inserti possono quindi persistere più a lungo anche se leggermente deleteri. Se tenuti lì abbastanza a lungo, alcuni di questi frammenti di TE inseriti nel DNA possono infine evolversi in elementi regolatori cis o post-trascrizionali.
Data l'abbondanza di TE - fino al 40% del genoma umano e al 90% per il genoma del grano - è inevitabile che alcuni di essi vengano reclutati dal genoma per conferire nuove funzioni cellulari. È una forma di "addomesticamento", di "cooptazione" o anche di exaptation .
La conversione genica polarizzata corrisponde a un bias della riparazione del DNA che porta all'arricchimento della coppia di sequenze di nucleotidi GC.
Il più noto di questi meccanismi di conversione distorta sono i geni dell'endonucleasi homing (HEG). Scoperti negli organelli di funghi filamentosi, piante, alghe e altri protisti, gli HEG sono forse uno degli elementi genetici egoistici più semplici.
Negli eucarioti, sebbene non contribuiscano né alla sopravvivenza né alla riproduzione della specie, questi elementi genetici modificano la loro velocità di trasmissione da una generazione all'altra, non essendo rispettate le proporzioni di Mendel .
Negli individui eterozigoti, gli HEG sono presenti solo su uno dei cromosomi omologhi. Questi geni codificano per endonucleasi , enzimi che scindono il DNA in un dato locus. Dopo la sintesi, proteggendo il cromosoma portatore del gene, l'enzima scinderà solo la sequenza di riconoscimento a livello del corrispondente cromosoma omologo per poter inserire in esso l'HEG precedentemente duplicato. Questo meccanismo, chiamato “homing”, consente quindi la conversione di una forma eterozigote di un gene in una forma omozigote, assicurandone la trasmissione alla generazione successiva.
Il successo di questa strategia dipende dalle opportunità per gli HEG di diffondersi, in altre parole, dalla frequenza con cui un cromosoma portatore di HEG incontra la sua controparte non portatrice. Questa frequenza varia notevolmente tra i taxa.
Una volta fissate nella popolazione, le pressioni selettive esercitate sugli HEG scompaiono, il che può portare alla loro degenerazione. Non ci sarà quindi più pressione selettiva per mantenere l'integrità degli HEG, che saranno quindi più vulnerabili alle mutazioni che possono interrompere la loro attività endonucleasica.
Un prerequisito è necessario affinché gli HEG abbiano successo nella diffusione: non devono causare troppi danni all'organismo ospite. Ciò può avere conseguenze sull'evoluzione della loro sequenza di specificità (15-20 punti base) e sulla loro funzione di maturazione.
Gli HEG possono anche essere addomesticati dal loro ospite e sono comunemente usati nella ricerca. In effetti, vengono utilizzati per eseguire la mappatura del genoma , per studiare il sistema di riparazione cromosomica , ecc. Sarebbero anche uno strumento indispensabile per quanto riguarda la terapia genica umana, nonché per l'eradicazione delle specie nocive.
In generale, la meiosi è "discreta". I cromosomi omologhi hanno la stessa probabilità di finire in un gamete funzionante ( ovocita o sperma ). Risulta, tuttavia, che in molte specie, particolari cromosomi o regioni cromosomiche sono sovrarappresentati nei gameti trasmessi rispetto al resto del genoma. Questo fenomeno è chiamato pregiudizio meiotico ( unità meiotica ).
Questi pregiudizi meiotici sono stati dimostrati in molte specie come mosche, topi, zanzare, ecc.
Alcuni sistemi sono stati ampiamente studiati: il distorsore di segregazione (SD) in Drosophila melanogaster , l'elemento genetico rapporto tra i sessi (SR) in D. pseudoobscura , il cromosoma contenente la manopola nel mais, il locus T in Mus musculus e il soprannumerario Cromosoma B presente in molti animali e piante.
Questi pregiudizi meiotici possono assumere 3 forme di base:
In D. pseudoobscura, i maschi portatori di un cromosoma X SR (cioè, il cromosoma X del maschio porta l'elemento genetico SR) trasmettono solo il cromosoma X alla loro prole. Pertanto, i maschi che trasportano SR producono solo femmine e il numero di maschi è correlato negativamente con la frequenza di SR nella popolazione.
Sebbene la meiosi nei maschi SR proceda normalmente, gli spermatozoi che non portano l'elemento genetico SR non matureranno durante la spermatogenesi. Si può quindi facilmente immaginare che un tale meccanismo porterebbe alla sostituzione di tutti i cromosomi X regolari e provocherebbe l'estinzione della popolazione. Tuttavia, l'attuale frequenza dell'elemento genetico SR mostra una distribuzione clinica non superiore al 20% della popolazione.
Esistono meccanismi che limitano la diffusione dell'elemento genetico SR:
Ma ciò che può limitare particolarmente la riproduzione dei loro discendenti e quindi la trasmissione dell'elemento SR è l'esistenza in queste popolazioni di poliandria . La poliandria, in cui una femmina si accoppia con diversi maschi, può aiutare a limitare la trasmissione degli elementi SR. Regola la frequenza della SR riducendone la trasmissione, aumentando la competizione tra i gameti dei diversi maschi in competizione. La poliandria può quindi potenzialmente prevenire un aumento della frequenza di trasmissione o eliminazione dell'elemento SR nella popolazione. Il portamento dei cromosomi SR X, tuttavia, non influisce sulla tendenza al re-accoppiamento delle femmine ospiti. Tuttavia, nelle femmine selvatiche, il livello di poliandria può aumentare in presenza di maschi SR nella popolazione. Sembra esserci un contro-adattamento in alcuni maschi SR consistente nel prevenire il re-accoppiamento delle femmine, la trasmissione di SR essendo favorita nelle popolazioni monoandriche. In questo caso, la competizione tra i gameti dei diversi maschi si trasferisce ad una competizione sessuale tra i maschi.
Sebbene la poliandria, attraverso i contro-adattamenti dei maschi SR, possa aumentare i conflitti tra gli individui e quindi sopprimere l'evoluzione della socialità, consente di promuovere l'armonia nel genoma sopprimendo l'aumento delle frequenze di trasmissione della SR.
Cromosoma BI cromosomi B sono cromosomi extra che non sono essenziali per la vitalità dell'organizzazione e generalmente non cambieranno il loro fenotipo. Sono spesso eterocromatici, cioè più condensati dei cromosomi regolari. Aumentano la loro trasmissione durante la gametogenesi per iper-replicazione nelle cellule germinali e / o segregazione preferenziale nel nucleo dell'ovocita, più che nel corpo polare. Esistono diversi meccanismi di trasmissione che variano a seconda del tipo di cromosoma B, della specie ospite e delle condizioni ambientali. Pertanto, il cromosoma B a volte è presente solo in popolazioni in crescita in un ambiente favorevole. È in queste condizioni che il cromosoma B è meno pericoloso e dannoso per l'organismo che lo trasporta.
Dopo la fecondazione, i PSD diminuiscono la percentuale di individui che non li indossano. In generale, si verifica una modifica con i genitori. Questa modifica deve essere "salvata" nella prole. Se l'elemento PSD non viene trasmesso alla prole, il salvataggio non ha luogo e si verificano effetti negativi sulla prole. Molto spesso agiscono uccidendo individui che non hanno ricevuto l'elemento egoistico.
Plasmide assassinoI plasmidi killer sono presenti in molti batteri e lieviti.
Questo plasmide codifica, ad esempio, una "tossina" che ha la capacità di persistere più a lungo della proteina "antidoto" che è codificata anche dal plasmide killer. Quindi, se le cellule figlie perdono il plasmide, essendo la "tossina" più persistente dell '"antidoto", le cellule muoiono. Ciò impedisce la perdita del plasmide durante la segregazione o la sostituzione di quel plasmide con un concorrente.
Il luogo MedeaIl locus Medea ( arresto embrionale dominante effetto materno ) nei coleotteri della farina Tribolium castaneum comporta l'effetto di un allele materno che uccide la prole che non lo ha ereditato. Anche se i processi biochimici non sono ancora chiari, probabilmente implicano una modifica dell'ovocita (da parte di proteine o mRNA) che può essere salvata solo dalla presenza del locus Medea nello zigote .
È un'incompatibilità tra l'ovocita e lo spermatozoo dovuta a un'infezione da parte di un batterio intracellulare Wolbachia (molto diffuso in insetti, aracnidi, crostacei e nematodi). Gli zigoti non infetti vengono uccisi dagli effetti paterni dovuti a padri infetti che portano a un marcato aumento della frequenza degli individui infetti. Questo batterio, che agisce modificando lo sperma dell'ospite, porterà ad un'incompatibilità letale con lo zigote se quest'ultimo non presenta lo stesso ceppo di Wolbachia nell'ovocita per “salvarlo” da questa mutazione. Un'assenza di questo "salvataggio" è quindi incompatibile e letale per lo zigote.
PSR ( rapporto tra i sessi paterni )Considerato il più egoista degli SGE, il PSR è un cromosoma B che induce PSD. È stato dimostrato in alcuni artropodi aplodiploidi . È stato descritto per la prima volta nella vespa Nasonia vitripennis . In questa specie, le femmine sono diploidi e possono dare per partenogenesi maschi aploidi o, dopo fecondazione da parte del maschio, femmine diploidi.
L'elemento genetico PSR è un cromosoma B soprannumerario trasportato dai maschi e trasmesso tramite lo sperma. Dopo la fecondazione, provoca la perdita dei cromosomi paterni, convertendo così gli ovociti diploidi fecondati - normalmente si prevede che si sviluppino in una femmina - in maschi aploidi portatori del PSR.
Il fenomeno è il seguente: i maschi che trasportano PSR producono spermatozoi funzionali. Tuttavia, dopo la fecondazione, i cromosomi paterni - ad eccezione del cromosoma B - formano una densa massa di cromatina alla prima divisione mitotica e vengono persi. Lo zigote viene quindi "aploizzato" e si sviluppa in un maschio funzionale che porta il PSR. Il PSR è immune a questa iper-condensazione.
Sembrerebbe, tuttavia, che i maschi PSR mostrino una forma fisica uguale o ridotta a quella dei maschi selvatici. Di conseguenza, il PSR non può invadere la popolazione; per questo, più del 50% degli ovociti dovrebbe essere fecondato. Tuttavia, il PSR potrebbe essere utilizzato per il controllo delle specie di insetti aploidi.
Gli organelli (come i mitocondri oi cloroplasti ) possono avere interessi genetici divergenti da quelli del genoma nucleare, provocando, ovviamente, un conflitto genetico. In generale, gli interessi degli organelli sono più comprensibili se consideriamo una cellula come una popolazione di organelli in competizione tra loro da trasmettere alla generazione successiva.
Alcuni microrganismi possono avere una relazione mutualistica con la cellula ospite che lo ospita, ma impedisce loro di manipolare la riproduzione del loro ospite in un modo che aumenta la propria trasmissione portando a una "copia parassita". La loro trasmissione preferenziale passando per le femmine, partecipano alla conversione dei maschi in femmine funzionali, inducono le femmine per partenogenesi , uccidono i maschi e / o formano incompatibilità tra i due tipi di gameti.
Gli elementi genetici egoistici sono onnipresenti nel genoma degli eucarioti e, in molti casi, costituiscono anche gran parte del DNA del corpo. Ricorda, ad esempio, che i trasposoni hanno colonizzato fino al 90% del genoma del grano. Questi elementi genetici egoistici hanno attirato l'attenzione dei biologi che cercano di spiegare i principali cambiamenti avvenuti durante l'evoluzione, per due ragioni: prima di tutto, illustrano chiaramente l'esistenza di una selezione a livello del gene. E come questa selezione può essere a favore di alcuni elementi genetici, anche se questi ultimi sono contro l'organismo o la popolazione. Inoltre, possono promuovere un'evoluzione nella struttura genetica delle specie, o addirittura portare alla speciazione .
Le ipotesi sulle conseguenze delle SGE sono molte: sono all'origine della differenziazione maschio / femmina, dell'eredità uniparentale degli organelli, della struttura del genoma, nonché di molti altri aspetti fenotipici, come la diversificazione. determinismo sessuale .
C'è un crescente interesse per le SGE e il loro possibile ruolo nell'isolamento riproduttivo e nella speciazione eucariotica. L'isolamento riproduttivo corrisponde a barriere che impediranno totalmente o parzialmente la riproduzione tra due popolazioni. Può verificarsi in modi diversi, ma si traduce sempre in uno scambio di geni piccoli o nulli tra le popolazioni.
Recenti ricerche hanno dimostrato che l'incompatibilità citoplasmatica dovuta ai batteri Wolbachia ha un ruolo nell'accelerare l'isolamento riproduttivo, consentendo così che la divergenza continui e si verifichi la speciazione. Di solito l'incompatibilità è unidirezionale, cioè solo una delle due popolazioni è infetta, il che non è sufficiente a indurre l'isolamento riproduttivo.
I batteri possono tuttavia oltrepassare i “confini” tra queste popolazioni e, infettandole entrambe, eliminare l'incompatibilità citoplasmatica e ripristinare il flusso di geni tra di loro. Tuttavia, questo fenomeno può verificarsi solo se l'incompatibilità citoplasmatica unidirezionale è accoppiata ad altri meccanismi (es: discriminazione del compagno ).
Un altro esempio di isolamento riproduttivo tra due popolazioni questa volta riguarda l'incompatibilità citoplasmatica bidirezionale. Abbiamo in questo caso un'infezione delle due popolazioni da differenti lignaggi di Wolbachia , che causa incompatibilità nelle due direzioni.
Wolbachia è quindi uno dei principali contributori all'isolamento riproduttivo in alcuni sistemi, ma non è ancora unanime tra i ricercatori.
Tuttavia, lavori recenti mostrano che questa incompatibilità citoplasmatica (anche incompleta) può essere sufficiente a mantenere e consentire una divergenza genetica tra popolazioni naturali. Tuttavia, sono necessarie ulteriori ricerche per determinare l'importanza di questo batterio nella speciazione di artropodi e nematodi .
Già nel 1967, Hamilton ha riconosciuto che l'attaccamento dei cromosomi sessuali, causando pregiudizi meiotici, potrebbe portare all'estinzione dell'ospite. Infatti, tramite una diminuzione della proporzione di maschi a causa di un bias a favore del cromosoma X o una mancanza di femmina a seguito di un bias a favore del cromosoma Y, l'SGE può diffondersi nella popolazione, che può, in linea di principio all'estinzione di detta popolazione.
Tuttavia, l'estinzione non è inevitabile dopo l'invasione di un distorter del rapporto tra i sessi. Può essere evitato se la distorsione del rapporto tra i sessi è incompleta o se l'elemento non porta alla fissazione nella popolazione. Ciò avvantaggia la produzione delle femmine, poiché un singolo maschio può mantenere la fertilità di più femmine contemporaneamente.
Le cause dell'estinzione sono un argomento di ricerca difficile, ma prove indirette mostrano che le distorsioni del rapporto tra i sessi in alcuni ceppi possono insorgere e quindi causare l'estinzione della popolazione.
Sebbene sia complicato sapere se gli elementi distorcenti del rapporto tra i sessi abbiano causato l'estinzione delle popolazioni, trent'anni di ricerche hanno permesso di dimostrare che la fissazione dei cromosomi sessuali può portare all'estinzione delle specie ospiti confermando l'idea di Hamilton.
Il problema, ovviamente, è che è più facile studiare un sistema in cui gli elementi egoistici non hanno causato l'estinzione piuttosto che quelli in cui l'hanno fatto.