Negli ultimi 100 milioni di anni, i mammiferi si sono adattati a quasi tutti gli ambienti della Terra. Gli scienziati del Progetto Zoonomia hanno catalogato la diversità dei genomi dei mammiferi confrontando le sequenze di DNA di 240 specie oggi esistenti, dall’oritteropo (Orycteropus afer Pallas) all’elefante della savana africana, dall’irace del Capo (Procavia capensis Pallas), allo zebù (Bos taurus indicus). Questa settimana, in diversi articoli pubblicati in un numero speciale di Science, il team di Zoonomia ha dimostrato come la genomica comparativa possa non solo far luce su come alcune specie raggiungano imprese straordinarie, ma anche aiutare gli scienziati a comprendere meglio le parti del nostro genoma che sono funzionali e come possano influenzare la salute e le malattie.
Nei nuovi studi, i ricercatori hanno identificato le regioni dei genomi, a volte solo singole lettere di DNA, che sono più conservate, o invariate, tra le specie di mammiferi e in milioni di anni di evoluzione – regioni che probabilmente sono biologicamente importanti. Hanno anche trovato parte della base genetica di caratteristiche non comuni dei mammiferi, come la capacità di andare in letargo o di fiutare profumi deboli a chilometri di distanza. Hanno inoltre individuato specie che potrebbero essere particolarmente suscettibili all’estinzione, nonché varianti genetiche che hanno maggiori probabilità di svolgere ruoli causali in malattie umane rare e comuni. I risultati provengono dall’analisi di campioni di DNA raccolti da oltre 50 diverse istituzioni in tutto il mondo, tra cui molti della San Diego Wildlife Alliance, che ha fornito molti genomi di specie minacciate o in pericolo. Più di 150 persone, proveniente da diverse zone del mondo (sette fusi orari distinti) hanno contribuito al Progetto Zoonomia, che è la più grande risorsa di genomica comparativa dei mammiferi al mondo. Lo sforzo è guidato da Elinor Karlsson, direttore del gruppo di genomica dei vertebrati presso il Broad Institute del MIT e di Harvard e professore di bioinformatica e biologia integrativa alla UMass Chan Medical School, e da Kerstin Lindblad-Toh, direttore scientifico della genomica dei vertebrati al Broad e professoressa di genomica comparativa all’Università di Uppsala in Svezia.
Tratti eccezionali
In uno degli studi tratti dal progetto Zoonomia, i coautori Matthew Christmas, ricercatore presso l’Università di Uppsala, e Irene Kaplow, ricercatrice post-dottorato presso la Carnegie Mellon University, insieme a Karlsson, Lindblad-Toh e collaboratori, hanno scoperto che almeno il 10% del genoma umano è altamente conservato, con molte di queste regioni che si trovano al di fuori dei geni codificanti le proteine. Più di 4.500 elementi sono quasi perfettamente conservati in oltre il 98% delle specie studiate. La maggior parte delle regioni conservate – che sono cambiate più lentamente rispetto alle fluttuazioni casuali del genoma – sono coinvolte nello sviluppo embrionale e nella regolazione dell’espressione dell’RNA. Le regioni che sono cambiate più frequentemente hanno plasmato l’interazione dell’animale con l’ambiente, ad esempio attraverso le risposte immunitarie o lo sviluppo della pelle. I ricercatori hanno anche individuato parti del genoma legate ad alcuni tratti eccezionali nel mondo dei mammiferi, come le straordinarie dimensioni del cervello, l’olfatto superiore e la capacità di andare in letargo durante l’inverno. Nell’ottica di preservare la biodiversità, si sono concentrati sui mammiferi con meno cambiamenti genetici nei siti conservati del genoma. Karlsson e Lindblad-Toh affermano che anche solo un genoma di riferimento per specie potrebbe aiutare gli scienziati a identificare le specie a rischio, dato che meno del 5% di tutte le specie di mammiferi dispone di genomi di riferimento, anche se è necessario un ulteriore lavoro per sviluppare questi metodi.
Approfondimenti sulle malattie
In un altro studio, Karlsson, Lindblad-Toh e colleghi hanno utilizzato i genomi dei mammiferi per studiare tratti e malattie umane. Si sono concentrati su alcune delle regioni genomiche a lettera singola più conservate scoperte nel primo lavoro e le hanno confrontate con le varianti genetiche che gli scienziati hanno precedentemente collegato a malattie come il cancro utilizzando altri metodi. Hanno inoltre identificato mutazioni che sono probabilmente causali in malattie rare e comuni, tra cui il cancro, e hanno dimostrato che l’uso della conservazione negli studi sulle malattie potrebbe rendere più facile trovare cambiamenti genetici che aumentano il rischio di malattia. Un terzo studio, condotto da Steven Reilly, professore assistente di genetica all’Università di Yale, e da Pardis Sabeti, membro dell’Istituto Broad, ha esaminato più di 10.000 delezioni genetiche specifiche dell’uomo utilizzando sia i dati di Zoonomia sia le analisi sperimentali, e ha collegato alcune di esse alla funzione dei neuroni. Altri lavori su Zoonomia pubblicati hanno rivelato che i mammiferi si sono diversificati prima dell’estinzione di massa dei dinosauri; hanno scoperto una spiegazione genetica del perché un famoso cane da slitta degli anni Venti, di nome Balto, sia riuscito a sopravvivere all’aspro paesaggio dell’Alaska; hanno scoperto cambiamenti specifici dell’uomo nell’organizzazione del genoma; ha utilizzato l’apprendimento automatico per identificare le regioni del genoma associate alle dimensioni del cervello; ha descritto l’evoluzione delle sequenze regolatrici nel genoma umano; si è concentrato sulle sequenze di DNA che si spostano all’interno del genoma; ha scoperto che le specie con popolazioni storicamente più piccole sono oggi a maggior rischio di estinzione; e ha confrontato i geni tra quasi 500 specie di mammiferi. Per Karlsson, Lindblad-Toh e i ricercatori che dal 2005 sequenziano i genomi dei mammiferi per Zoonomia o per i suoi progetti precursori, questi studi – e la vastità delle domande a cui rispondono – sono solo una frazione di ciò che è possibile fare. “Siamo molto entusiasti di sequenziare le specie di mammiferi“, ha dichiarato Lindblad-Toh. “E siamo ansiosi di vedere come noi e gli altri ricercatori potremo lavorare con questi dati in modi nuovi per comprendere l’evoluzione del genoma e le malattie umane“.
