IL DNA MITOCONDRIALE DI
Asio flammeus
COS’E’ IL DNA MITOCONDRIALE E DOVE SI TROVA
Prima di parlare del DNA mitocondriale (mtDNA) del Gufo di palude e di quello di altri Strigiformi è bene spiegare cos’è l’mtDNA e dove risiede.
Esso è presente nei MITOCONDRI, organelli presenti nel citoplasma di tutte le cellule eucariotiche aerobiche e coinvolti nella respirazione cellulare.
Quest’ultima rappresenta il processo di ossidazione delle molecole alimentari, come il glucosio, in anidride carbonica e acqua rilasciando energia sottoforma di molecole di ATP. Questa energia viene utilizzata per tutte le attività cellulari che la richiedono.
I mitocondri possiedono un DNA proprio, nella maggior parte dei casi è circolare, a doppia elica e superavvolto, anche se in alcune specie è lineare.
Il genoma mitocondriale contiene i geni per rRNA dei ribosomi di questi organelli, per molti tRNA usati nella sintesi proteica dai mitocondri stessi e per alcune proteine che rimangono nell’organello e qui svolgono funzioni specifiche. Tutte le altre proteine necessarie per questi organelli sono codificate dal nucleo della cellula e trasportate poi nei mitocondri.
E’ importante sottolineare che l’analisi del DNA mitocondriale è utilizzata in studi di relazioni genetiche tra individui, in quanto i mitocondri hanno eredità materna e il mtDNA presenta dei polimorfismi. Il modo di ereditare per via materna i geni extranucleari dipende dal fatto che lo zigote (prima cellula del nuovo individuo ottenuta dalla fusione di una cellula uovo con uno spermatozoo) riceve la maggior parte dei suoi organelli cellulari dal genitore femminile.
Come il DNA nucleare anche quello mitocondriale si deve replicare e la sua replicazione è semiconservativa ed avviene per opera di proteine (DNA polimerasi) specifiche del mitocondrio attraverso un meccanismo chiamato:”Spostamento dell’ansa” (displacement loop ovvero D loop).
Il modello è come segue:
Nella maggior parte degli animali le due eliche di mtDNA hanno densità diverse poichè le basi azotate (che compongono il DNA) non sono distribuite in modo uguale in ciascuna delle eliche, pertanto sono chiamate catena pesante (heavy-H) e catena leggera (light-L). La sintesi della nuova catena H incomincia in corrispondenza del sito d’origine della replicazione dell’elica H (non presente nell’mtDNA degli strigiformi) e forma una struttura ad ansa D loop. Quando la nuova elica H si è estesa fino a circa la metà intorno alla molecola, si ha l’inizio della nuova elica L, a partire da un secondo sito d’origine di replicazione (anche questo assente negli Strigiformi). Le eliche sono entrambe completate per replicazione in continuo. Infine i DNA circolari sono entrambi convertiti in una forma superavvolta.
NEGLI UCCELLI
Nel genoma mitocondriale di tutti i vertebrati il più grande segmento non codificante è chiamato regione di controllo (CR), ed è anche la parte più variabile che evolve da 3 a 5 volte più rapidamente rispetto al resto dell’mtDNA.
Negli uccelli, la CR è localizzata tra il gene che da origine al tRNA del glutammato e quello per la fenilalanina e la sua funzione primaria si pensa sia la regolazione e trascrizione del genoma mitocondriale.
Molti studi hanno mostrato che esistono variazioni dell’estensione della dimensione della CR nell’mtDNA degli uccelli, attribuita all’inserzione o delezione di alcuni segmenti e/o alla variazione della lunghezza nel n. di copie delle sequenze ripetute in “TANDEM”. E’ importante una miglior comprensione delle proprietà strutturali della CR per studi sulla fiogenesi aviaria e di popolazione.
Oltre 10 anni fa, con il sequenziamento della CR mitocondriale di molte classi come cyclostomi, pesci, anfibi, rettili, uccelli e mammiferi, una grande attenzione è stata data ai meccanismi evoluzionistici della CR e la sua applicazione nell’analisi filogenetica molecolare.
Vi riporto uno studio condotto, da un gruppo cinese, sul’analisi comparativa della CR del mtDNA di 4 Strigiformi, tra cui Asio flammeus intitolato:
Comparative Analysis of Complete Mitochondrial DNA Control Region of Four Species of Strigiformes
XIAO Bing1, MA Fei1, SUN Yi2, LI Qing-Wei1
Acta Genetica Sinica, November 2006, 33 (11)：965–974
In questo studio è stata riportata, analizzata e confrontata la completa sequenza e organizzazione della CR mitocondriale di 4 strigiformi: Asio flammeus, Asio otus, Strix aluco, Athene noctua. Si è visto che la lunghezza in bp della CR delle 4 specie è molto più lunga di quella di altri uccelli (1-1.5Kb), inoltre è interessante notare come questa lunghezza sia massima in Asio flammeus (3290bp) tra tutte quelle sequenziate fino ad ora.
L’estremità 3′ della CR contiene molte sequenze duplicate in tandem (un unità di seq. ripetuta più volte) e in Asio flammeus erano costituite da una sequenza di 126bp (bp:paia di basi azotate che formano il DNA) ripetuta 7 volte e una sequenza di 78bp ripetuta 14 volte, tra le 2 unità ripetute vi era uno spazio di 99bp (copia incompleta delle due unità ripetute).
In Asio otus le sequenze ripetute erano costituite da un’ unità di 127 bp ripetuta 8 volte e un’unità di 78bp ripetuta 6 volte, con uno spazio tra le due di 55bp.
Strix aluco aveva una sola seq. ripetuta di 78bp ripetuta 5 volte e Athene noctua un’unità di 89bp ripetuta 3 volte (77bp+12bp extra), un’unità di 77bp ripetuta 4 volte ed infine un’unità di 71bp ripetuta 6 volte.
Il risultato di questo lavoro suggerisce che l’elevata dimensione della CR dei 4 strigiformi può essere attribuita a queste numerose sequenze ripetute, presenti anche in altri vertebrati anche se non in modo così elevato.
Si è visto che esisteva un’omologia di sequenza molto alta tra le unità corrispondenti (126bp di A. flammeus con le 127bp di A. otus e quelle di 78bp di A. flammeus, A. otus e Strix aluco) da far pensare ad un’origine comune, esse potrebbero essere esistite prima della divergenza della specie e la successiva evoluzione indipendente può aver portato a differenze in queste unità ripetute corrispondenti. Inoltre, benchè in Athene noctua l’unità di 89bp è un unità di 77bp con un extra 12bp aggiunte, queste due possono anche originare da una sequenza ancestrale.
I mecanismi molecolari proposti, per l’origine di queste seq. ripetute e la successiva generazione di variazioni di lunghezza di mtDNA, sono crossing over ineuguale (conversione genica) e slipped-strend mispairing (un’appaiamento errato dell’enzima, DNA polimerasi, che opera la replicazione dell’mtDNA alla zona ricca di queste sequenze ripetute).
I polimorfismi all’interno delle seq. ripetute si formano durante il processo di replicazione in cui si ha una sorta di bilancio tra due forze evolutive opposte: mutazioni puntiformi (cambiamento di una singola base azotata) e inserzioni-delezioni (inserimento o rimozione di basi azotate). Le prime causano divergenza mentre le seconde causano omologia. In questo studio, tutte le 14 copie dell’unità a 78bp sono esattamente le stesse in A. flammeus, il che può significare che le mutazioni inserzioni-delezioni giocano un ruolo dominante su quello delle mutazioni puntiformi.
In queste sequenze ripetute ci sono molti motivi conservati, che possono offrire copie multiple di seq. funzionalmente importanti e conferire vantaggi replicativi alle molecole di mtDNA avendo a disposizione copie multiple di segnali di replicazione, ma esibire anche differenze tra le specie o tra individui appartenenti alla stessa specie.
In conclusione si è ipotizzato che la CR dell’mtDNA può essere usata come marker molecolare per lo studio dell’evoluzione della popolazione. Quindi grazie a queste sequenze ripetute presenti, come abbiamo visto, in numero di copie variabile, l’mtDNA presenta una diversa efficenza replicativa tra i diversi individui e questo risulta importante per tracciare l’età evolutiva e la divergenza che è avvenuta.