Con solo l'1% di differenza, i genomi codificanti le proteine dell'uomo e dello scimpanzé sono notevolmente simili. Comprendere le caratteristiche biologiche che ci rendono umani fa parte di una linea di ricerca affascinante e intensamente dibattuta. I ricercatori al SIB e dell'Università di Losanna hanno sviluppato un nuovo approccio per individuare, per la prima volta, i cambiamenti adattativi specifici dell'uomo nel modo in cui i geni sono regolati nel cervello. Questi risultati aprono nuove prospettive nello studio dell'evoluzione umana, della biologia dello sviluppo e delle neuroscienze. L'articolo è pubblicato su Science Advances.
Selezione positiva: un indizio della rilevanza funzionale di una mutazione
La maggior parte delle mutazioni genetiche casuali non apporta né benefici né danni a un organismo: esse si accumulano a un ritmo costante che riflette il tempo trascorso da quando due specie viventi avevano un antenato comune. Al contrario, un'accelerazione di tale ritmo in una particolare parte del genoma può riflettere una selezione positiva per una mutazione che aiuta un organismo a sopravvivere e riprodursi, rendendo più probabile che la mutazione venga trasmessa alle generazioni future. Gli elementi regolatori dei geni hanno spesso una lunghezza di pochi nucleotidi, il che rende particolarmente difficile stimarne il tasso di accelerazione dal punto di vista statistico.
Espressione genica, non sequenza genica
Per spiegare cosa distingue gli esseri umani dai loro parenti scimmieschi, i ricercatori hanno a lungo ipotizzato che non sia tanto la sequenza del DNA, quanto piuttosto la regolazione dei geni (cioè quando, dove e con quale intensità il gene viene espresso) a svolgere un ruolo chiave. Tuttavia, individuare con precisione gli elementi regolatori che agiscono come "dimmer genici" e sono selezionati positivamente è un compito impegnativo che finora ha sconfitto i ricercatori (vedi riquadro).
Marc Robinson-Rechavi, capogruppo al SIB e coautore dello studio, afferma: "Per poter rispondere a domande così stimolanti, è necessario essere in grado di identificare le parti del genoma che sono state sottoposte alla cosiddetta selezione 'positiva' [vedi riquadro]. La risposta è di grande interesse per affrontare questioni evolutive, ma anche, in ultima analisi, potrebbe aiutare la ricerca biomedica in quanto offre una visione meccanicistica del funzionamento dei geni".
Una percentuale elevata degli elementi regolatori nel cervello umano è stata selezionata positivamente
I ricercatori al SIB e dell'Università di Losanna hanno sviluppato un nuovo metodo che ha permesso loro di identificare un ampio insieme di regioni di regolazione genica nel cervello, selezionate nel corso dell'evoluzione umana. Jialin Liu, ricercatore post-dottorato e autore principale dello studio, spiega: «Abbiamo dimostrato per la prima volta che il cervello umano ha subito un livello particolarmente elevato di selezione positiva rispetto, ad esempio, allo stomaco o al cuore. È una scoperta entusiasmante, perché ora abbiamo un modo per identificare le regioni genomiche che potrebbero aver contribuito all'evoluzione delle nostre capacità cognitive!».
Per giungere alle loro conclusioni, i due ricercatori hanno combinato modelli di apprendimento automatico con dati sperimentali sulla forza con cui le proteine coinvolte nella regolazione genica si legano alle loro sequenze regolatorie in diversi tessuti, e poi hanno effettuato confronti evolutivi tra esseri umani, scimpanzé e gorilla. "Ora sappiamo quali sono le regioni selezionate positivamente che controllano l'espressione genica nel cervello umano. E più impariamo sui geni che controllano, più completa sarà la nostra comprensione della cognizione e dell'evoluzione, e più ampio sarà il campo d'azione su cui basare tale comprensione", conclude Marc Robinson-Rechavi.
Reference(s)
Jialin Liu e Marc Robinson-Rechavi, Inferenza robusta della selezione positiva sulle sequenze regolatorie nel cervello umano, Science Advances, 2020.
