PLOS Biology

I cambiamenti evolutivi nell’espressione genica sono determinati principalmente dalla selezione naturale o da forze casuali? Sono passati circa 150 anni da quando Charles Darwin propose che gli organismi si adattano al loro ambiente attraverso il processo di selezione naturale, ma il dibattito è ancora acceso, in particolare a livello molecolare. La selezione darwiniana è stata sfidata nel 1983 dalla teoria neutrale di Kimura dell’evoluzione molecolare, che sostiene che la maggior parte delle differenze nelle sequenze di DNA (nucleotide) e proteine (aminoacidi) all’interno e tra le specie hanno solo un effetto selettivo minore o nullo e che queste differenze sorgono attraverso processi per lo più casuali. Le mutazioni a livello nucleotidico avvengono in modo casuale e regolare. Alcune di esse sopravvivono attraverso le generazioni, dando luogo a cambiamenti evolutivi “fissi” tra le specie. Due potenziali meccanismi possono portare alla fissazione di un particolare cambiamento: la selezione naturale, che favorisce i cambiamenti che trasmettono un vantaggio selettivo, e gli eventi stocastici (casuali), come la deriva genetica (le fluttuazioni casuali nelle frequenze dei genotipi che si verificano di generazione in generazione in piccole popolazioni).

Le mutazioni del DNA possono portare a cambiamenti nei livelli di espressione genica, alcuni dei quali possono trasmettere un vantaggio selettivo a un organismo e quindi essere fissati attraverso la selezione naturale. Ma poiché la variazione è prodotta a livello del genotipo, mentre si pensa che la selezione operi in gran parte a livello del fenotipo (cioè la manifestazione fisica del genotipo), è ragionevole aspettarsi che la selezione sia meno evidente a livello della sequenza del DNA, e per estensione, a livello dell’espressione genica. La tecnologia microarray ha reso possibile studiare sistematicamente i livelli di espressione di migliaia di trascritti (le copie di RNA del DNA che vengono tradotte in sequenze di aminoacidi) e chiedersi se la maggior parte dei cambiamenti di espressione genica fissati durante l’evoluzione tra le specie derivano da processi selettivi o stocastici.

Per indagare questa domanda, Philipp Khaitovich e colleghi hanno analizzato le differenze di trascrittoma osservate tra le specie di primati e topi, nonché tra varie regioni del cervello all’interno di una specie. Il team ha iniziato analizzando i livelli di espressione di circa 12.000 geni nella corteccia prefrontale di vari primati, compresi gli umani. Se i cambiamenti evolutivi sono causati dal caso e non dalla selezione naturale, si accumuleranno in funzione del tempo piuttosto che in funzione dei cambiamenti fisici o comportamentali dell’organismo. E questo è ciò che gli autori hanno trovato: i cambiamenti nell’espressione genica tra le specie progredivano linearmente con il tempo, suggerendo che l’espressione genica nel cervello dei primati si è evoluta in gran parte da processi casuali che introducono cambiamenti selettivamente neutri, o biologicamente insignificanti.

Secondo la teoria dell’evoluzione neutrale, le stesse forze determinano il tasso di evoluzione sia all’interno che tra le specie perché simili processi casuali sono al lavoro su entrambi i livelli. Di conseguenza, i geni che variano di più all’interno della specie dovrebbero avere più probabilità di variare tra le specie. Confrontando i livelli di espressione dei geni secondo la loro variazione all’interno degli esseri umani, gli autori hanno mostrato che i geni con un’alta variazione tra gli esseri umani sono cambiati significativamente più velocemente tra le specie rispetto ai geni con bassa variazione tra gli esseri umani. Gli autori hanno anche confrontato i cambiamenti osservati nei geni con i cambiamenti osservati negli pseudogeni (geni che nel corso del tempo evolutivo acquisiscono una mutazione che li rende non funzionali) e non hanno trovato alcuna differenza significativa tra i due, suggerendo ancora una volta che la maggior parte dei cambiamenti di espressione non hanno alcun significato funzionale.

Mentre la loro analisi non può escludere un ruolo della selezione naturale, tutti i risultati sono coerenti con un modello neutro di evoluzione del trascrittoma. Questo significa che la maggior parte delle differenze di espressione genica all’interno e tra le specie non sono adattamenti funzionali ma selettivamente neutrali e che non saremo in grado di spiegare le differenze di specie basate sulla variazione dell’espressione genica in generale.

Oltre ad esaminare le differenze di espressione genica in un particolare tessuto tra le specie, gli autori discutono anche l’evoluzione dei diversi tessuti all’interno di una specie. Il cervello umano è composto da regioni che differiscono per funzione e istologia (struttura microscopica). Ognuna di queste regioni ha acquisito una differenza funzionale o istologica che l’ha separata dalle sue regioni sorelle ad un certo punto del nostro passato evolutivo. Gli autori mostrano che la quantità di cambiamento tra le regioni è correlata ai tempi di divergenza dei tessuti stimati da altri metodi. Se questa scoperta si applica ad altri tessuti dentro e fuori il cervello, potrebbe fornire un metodo per ricostruire l’evoluzione dei tessuti all’interno di una specie.