L’evoluzione di una specie deriva dalla somma di due forze: la selezione e la deriva genetica. La selezione (naturale, sessuale o umana) è l’arcinoto concetto della sopravvivenza dei più forti o, ad essere precisi, il loro monopolio delle risorse riproduttive. La deriva genetica è invece il variare casuale di caratteristiche che, non influenzando in alcun modo l’individuo, non risiedono sotto l’egida della selezione.

Mettiamo ulteriormente a fuoco questi concetti e soffermiamoci su i diversi tipi di selezione. La stragrande maggioranza delle mutazioni a cui siamo abituati a pensare sarà a tutti gli effetti deleteria. Esistono oggigiorno più di 6000 malattie genetiche (mendeleiane) conosciute e il loro numero è in continuo aumento. Esiste però un secondo tipo di mutazione che si manifesta solo raramente: in effetti una mutazione genetica può rivelarsi utile e conferire all’organismo che la porta un vantaggio evolutivo.

Come agisce la selezione su questi due tipi di mutazione (deleterie e favorevoli)?

Nel primo caso ovviamente la selezione tenderà ad eliminare qualunque variazione che differisca dalla versione originale del gene. I portatori di malattie genetiche raramente hanno molti figli. A livello della popolazione osserveremo quindi che la frequenza di qualunque mutazione resterà molto piccola. Questo a causa della selezione che eliminerà qualunque altra variante del gene (allele). Questa selezione conservatrice è chiamata negativa (in senso matematico, non etico) o purificatrice.

Nel caso di una mutazione favorevole, si osserverà, sempre a livello della popolazione, una tendenza ad un incremento del tratto selezionato. Se per esempio la mutazione conferisce una maggior altezza, la popolazione tenderà a divenire più alta in virtù dell’aumento di frequenza dell’allele selezionato. Questa selezione è chiamata direzionale, o selezione positiva.

Possiamo infine supporre l’esistenza di tratti che non influiscano in alcun modo sulla speranza di vita o di riproduzione dell’individuo. Queste mutazioni saranno mediamente trasmesse alla generazione successiva alla stessa frequenza cui sono state osservate alla generazione precedente. È importante notare che mediamente sottintende che è estremamente probabile che questa frequenza differisca leggermente da una generazione all’altra. Qualunque nuova mutazione, se neutra, possiede quindi una piccola probabilità di amplificarsi fino ad essere presente in tutti gli individui di una specie (fissazione). In tal caso la sua frequenza cesserà di variare fino a che una nuova mutazione non venga a toccare la stessa posizione all’interno del genoma.

Chiaro?

Ora le cose divertenti. Esistono ormai moltissime specie il cui genoma è stato completamente sequenziato (http://www.ensembl.org/index.html per le specie animali). Supponiamo quindi che voi siate morbosamente attratti da un gene qualunque, che chiameremo IVGP (Il Vostro Gene Preferito), e che vogliate ricostruire la storia evolutiva di questo gene. È possibile scavare nel passato?

Il trucco sta tutto nella sequenza genetica. Nel DNA non c’è molto da scrivere. Bisogna dire dove iniziare a leggere, dove smettere e cosa produrre. Se, semplificando, assumiamo che ad ogni gene corrisponda una proteina, il cosa sintetizzare si limita ad una scelta di 20 amminoacidi (i mattoni che compongono le proteine).

Riassumiamo: necessitiamo di una parola per dire Start, una per dire Stop e 20 parole per indicare rispettivamente i 20 amminoacidi; non è un gran vocabolario, 22 parole in totale (in realtà 21 l’amminoacido metionina e Start si scrivono allo stesso modo). È pur vero che anche l’alfabeto è carente, 4 lettere in tutto (A, T, G, C). Facciamo due calcoli: se ogni parola avesse una sola lettera si potrebbero scrivere 4 parole, se ne avesse 2 se ne scriverebbero 16, con tre 64. Giacché 4 parole non sono sufficienti, così come 16 (sempre meno di 22), la natura ha optato per parole di tre lettere (chiamate codoni). Abbiamo quindi 64 codoni con cui scrivere però solo 22 parole. Se ne potrebbe dedurre che 44 parole (64-22) non significhino nulla. Così non è. Ogni parole scrivibile ha un suo significato, semplicemente alcuni amminoacidi si possono scrivere in più modi. Ad esempio TGT, TGC, TGA e TGG indicano sempre l’amminoacido serina, o, per usare il termine appropriato, il codice è ridondante. Notate una finezza, in generale è l’ultima posizione ad essere variabile.

Torniamo ora a IVGP, vi ricordate, il gene che tanto amate. Procuratevi la sequenza di questo gene. Supponiamo che IGVP sia un gene umano, ma che abbia omologhi anche negli altri mammiferi. Procuratevi la sequenza di IGVP umano e di IGVP versione scimpanzé (il nostro parente più prossimo).

Ora confrontate le differenze esistenti fra queste due specie a livello di sequenza di IGVP (allineate le sequenze) e non sorprendetevi se la maggior parte della sequenza è identica. Mediamente la percentuale di omologia è superiore al 98%. Ora riflettiamo, il codice è ridondante ed in generale l’ultima lettera non è molto importante. Supponiamo quindi di cambiare una lettera a caso nel nostro gene. Un terzo delle volte (ragionando a spanne) non otterremo alcun cambiamento nella proteina, quando il gene sarà letto. Ovvero 1/3 delle mutazioni di una sola lettera sono perfettamente sinonime. Il cambiamento di sequenza non porterà infetti ad alcun cambiamento reale. Sotto che genere di selezione cadranno queste mutazioni? Facile, la deriva genetica, poiché queste mutazioni non influenzano in alcuna maniera l’individuo. Gli altri 2/3 delle mutazioni invece possono essere positive, deleterie o neutre.

Non ve ne siete accorti ma in realtà è fatta.

Riprendiamo i diversi tipi di selezione. Supponiamo che un gene che fu utile allo scimpanzé* sia ora totalmente inutile all’uomo. Ad un certo punto dell’evoluzione la sua utilità è venuta a cadere, quindi su questo gene non opera più nessun tipo di selezione ed è in preda alla deriva genetica. Tutte le mutazioni, che siano sinonime o no saranno trattate alla stessa maniera ed alcune si fisseranno nella popolazione. In quale proporzione? 2/3 non sinonime e 1/3 sinonime ovviamente, nelle proporzioni a cui sono state generate.

Supponiamo ora invece che l’uomo e lo scimpanzé facciano uso, lo stesso uso, di IVGP. Si suppone che lo scimpanzé possedesse già una versione di IGVP ottimale prima della divergenza tra le due specie. Dato che l’uso di IGVP non è cambiato durante l’evoluzione da uomo a scimpanzé questo gene sarà rimasto sotto selezione purificatrice e tutti i portatori di un nuovo allele saranno morti. Cosa osserveremo? Poche o pochissime mutazioni non sinonime ma… un certo numero di mutazioni sinonime. Perché? Le mutazioni saranno state generate alla solita frequenza, 2/3 non sinonime e un terzo sinonime. Dato che IGVP in questo caso era già ottimale nello scimpanzé quasi tutte le mutazioni non sinonime sono state eliminate dalla selezione, mentre alcune mutazioni sinonime saranno state fissate. Il rapporto di 2/3 a 1/3 sarà quindi alterato. Avremo quindi (in proporzione) più di 1/3 di mutazioni sinonime e meno di 2/3 di mutazioni non sinonime.

Ultimo caso, l’uomo fa un uso tutto nuovo del gene in questione. Ciò significa che durante l’evoluzione da scimpanzé a uomo questo gene è rimasto sotto selezione direzionale. Ovvero alcune mutazioni (ovviamente non sinonime, altrimenti non cambierebbe nulla) sono state selezionate. È verosimile che, oltre alla mutazione base che conferisce la nuova attività, altre mutazioni siano state necessarie per “aggiustare” l’assetto della proteina. Cosa succede? Le mutazioni sinonime continueranno a fissarsi al solito debole tasso nella popolazione mentre quelle non sinonime, spinte dalla selezione positiva, si saranno fissate massicciamente. Avremo quindi un tasso di mutazioni non sinonime superiore ai 2/3 canonici e di conseguenza meno di 1/3 di mutazioni sinonime.

Attenzione: tutti questi cambiamenti di frequenza non sono dovuti al cambiamento del tasso di mutazione, ma alla facilità con cui queste mutazioni s’impongono nella popolazione. In effetti, il numero di mutazioni sinonime dovrebbe essere identico per tutti i geni, indipendentemente dalla loro utilità, in quanto le mutazioni neutre sono appannaggio della deriva. Tutto il gioco si fa sulla facilità con cui le mutazioni non sinonime giungono a fissarsi nella popolazione. Una mutazione contro-selezionata (purificatrice) non arriverà pressoché mai ad imporsi, una mutazione favorevole ci riuscirà quasi sempre, mentre una mutazione non sinonima neutra (possono esistere) si fisserà con la stessa probabilità di una mutazione sinonima. È quindi il numero di mutazioni non sinonime a variare ed a far cambiare le proporzioni di 2/3 e 1/3 che si aspetterebbe se il processo fosse casuale.

Volete ancora sapere la storia di IGVP? Procuratevi le sequenze, controllate le frequenze e il tipo di mutazioni e il gioco è fatto. Il procedimento può anche essere esteso. Un gene può essere rimasto sotto selezione negativa durante l’evoluzione delle scimmie per poi essere selezionato all’insorgere dei primati, per poi tornare sotto selezione negativa… eccetra. Basta procurarsi le sequenze di IGVP in organismi rappresentativi di ogni gruppo.

Un esempio¹ per concludere: GLUD 2, un gene implicato nel riciclaggio dei neurotrasmettitori, è stato sotto selezione positiva nella transizione da scimpanzé a uomo. Abbiamo quindi facilmente identificato uno dei protagonisti che hanno reso umano il nostro cervello. Esiste un’intera branca della biologia che si occupa di questo problema, la cosiddetta evoluzione molecolare. Interamente basata su analisi informatiche è forse la sola branca dell’evoluzione a non temere smentite. Anche l’evoluzione (a livello molecolare), può essere ridotta ad una mera serie di numeri.

* Mi si perdoni il barbarismo. Qui ed in seguito confondo volutamente lo scimpanzé con l’antenato comune tra uomo e scimpanzé (il cui genoma è ovviamente sconosciuto). Questo errore è stata perpetrato al fine di garantire la massima chiarezza della spiegazione, ma è di fatto biologicamente scorretto.

1) Burki F, Kaessmann H. 2004. Birth and adaptive evolution of a hominoid gene that supports high neurotransmitter flux. Nature genetics.