Genetica sviluppo animale

storia degli animali e genetica dello sviluppo animale e dei meccanismi regolatori

L’obiettivo di questo modulo è l’identificazione dei meccanismi genetici che sono alla base dell’evoluzione del progetto animale e quindi del cambiamento morfologico.
Alla fine dovreste aver acquisito le conoscenze fondamentali delle principali transizioni durante l’evoluzione animale e della logia genetica per la progettazione corporea animale.

In questo modulo verranno riportate frasi di diversi scienziati/ricercatori che sintetizzano/preannunciano ciò che verrà esplicitato successivamente. Vuole essere una sorta di riflessione su parte del pensiero scientifico, su come è cambiato, sul fatto che certe intuizioni, certe osservazioni, certe idee, risalgono ad un passato più o meno lontano. Per facilitarvi lo studio di questo modulo, nella stessa cartella modulo 4, vi è un file “glossario.doc”, che potete consultare in caso di necessità o dubbi. Questo non è un modulo facile, soprattutto per chi non ha le basi biologiche; cercate di cogliere l’essenziale, i concetti fondamentali e alla fine vi metterete alla prova cercando di rispondere alle domande, nel senso di rielaborare ciò che vi sembra di aver appreso e capito dai moduli 2, 3 e 4.

tutta la diversità ha avuto origine da un progenitore comune con simmetria bilaterale che è vissuto nei mari del Precambriano più di 540 milioni di anni fa.
La storia dell’evoluzione animale, tradizionalmente affrontata attraverso la paleontologia, la sistematica e l’anatomia comparata, ora è anche affrontata con la genetica.
La prima frase che vi propongo è la seguente:
“…la comprensione dei meccanismi regolatori deve essere alla base del riavvicinamento della biologia molecolare a quella evolutiva: una sintesi delle due biologie avverrà sicuramente e, quando questo succederà, sarà sulla problematica comune dello sviluppo.” (STEPHEN JAY GOULD, Ontogeny and Phylogeny, 1977).
In sintesi alcuni di voi dovrebbero già conoscere i passaggi principali dell’evoluzione dalla prospettiva della paleontologia, della sistematica e della biologia comparata, ed in particolare:

1. Origine e radiazione dei maggiori phyla animali basandosi su prove acquisite dai reperti fossili. I due avvenimenti più rilevanti all’inizio della storia animale sono l’evoluzione degli animali con simmetria bilaterale e l’esplosiva diffusione di queste forme nel periodo Cambriano
2. Relazioni filogenetiche tra gli animali
3. Anatomia comparata di phyla particolari.

Se qualcuno volesse approfondire l’argomento può leggere i 2 articoli in formato .pdf presenti nella cartella del modulo 4: “Science1999” e “Development1999”.
I bilateri di grandi dimensioni sono costituiti da strutture ripetute (o moduli). I segmenti degli artropodi o degli anellidi e le vertebre dei vertebrati rappresentano le unità di base dell’organizzazione dei piano strutturale corporeo in questi phyla. Anche molti elementi del corpo, come l’ala degli insetti e l’autopodio dei tetrapodi, sono composti da strutture ripetute. Negli animali organizzati modularmente predominano quattro tipi fondamentali di cambiamenti evolutivi nella morfologia e significativi in termini di adattamento.

• Cambiamenti nel numero degli elementi ripetuti
• Diversificazione degli elementi omologhi in serie
• Diversificazione degli elementi omologhi
• Evoluzione delle novità

Esiste una correlazione tra il progetto corporeo e l’evoluzione della diversità? L’organizzazione modulare permette di cambiare un elemento dell’animale senza necessariamente coinvolgerne altri.
La morfologia è il prodotto dello sviluppo. Con una conoscenza più approfondita della natura dei geni e dei processi di regolazione genica, lo sviluppo è stato sempre più concepito come un processo organizzato dai prodotti genici
Come fanno cellule diverse ad ottenere morfologie specifiche e proprietà funzionali richieste nei vari organi e tessuti del corpo? L’evoluzione della diversità è direttamente correlata all’evoluzione dei programmi genetici regolatori? In cosa consiste il corredo genetico per lo sviluppo e come opera per costruire il corpo animale?
Queste sono i quesiti che ci poniamo e a cui tenteremo di dare una risposta.
Piccole divergenze genetiche possono essere amplificate sino a produrre notevoli differenze morfologiche tra le specie. I geni responsabili dello sviluppo di un organismo controllano la velocità, la cadenza temporale e le caratteristiche spaziali dei cambiamenti che si osservano nella forma corporea di un organismo quando passa da zigote ad adulto.
Possiamo segnare la nascita dell’embriologia con Karl Ernst von Baer che nel 1827 scoprì l’uovo di mammifero nel follicolo di Graaf e ridiede vita alla teoria precedente dell’epigenesi di Wolff (1759): l’organismo si sviluppa ex novo a partire da una condizione indifferenziata. Wolff, studiando embrioni di pulcino, aveva osservato che un tessuto indifferenziato dava luogo ai vari organi addominali, tramite una specializzazione graduale.
von Baer, inoltre, esaminando le morfologie degli embrioni precoci, aveva concluso che tutte le forme dei vertebrati sembravano convergere verso un programma comune. Ebbe questa intuizione dopo che le etichette di alcuni barattoli, contenenti esemplari di embrioni precoci, si erano staccate e si rese conto che non riusciva più a riconoscerli con certezza.
“L’unico modo in cui possiamo sperare di raggiungere la verità è attraverso l’organizzazione di esperimenti sistematici di accoppiamento, un tipo di ricerca che forse richiede una dose di pazienza e di risorse maggiore di qualsiasi altro tipo di investigazione biologica. Presto o tardi questa indagine sarà intrapresa, e allora inizieremo a capire.” (W. BATESON, Materials for the Study of Variation, 1894).
William Bateson, nel libro citato qui sopra:

• Classificò i diversi tipi di organizzazione riscontrata tra gli animali.
• Fu il primo a proporre una visione darwiniana per il problema dell’evoluzione delle diverse strutture corporee.
• Focalizzò la sua attenzione sulla ripetizione degli elementi, catalogando all’interno delle varie specie un gran numero di varianti rare.
• Suggerì che queste variazioni all’interno della singola specie permettessero di capire completamente l’evoluzione delle discontinuità morfologiche su larga scala riscontrate tra le specie.

 “…se il mistero che circonda l’embriologia potrà mai arrivare ad essere compreso, è necessario che si possa fare ricorso ad altri mezzi rispetto alla descrizione dell’aspetto fuggevole” (T.H. MORGAN, Experimental Embriology, 1927)
Ben molto tempo prima che i geni e le proteine che influenzano lo sviluppo animale fossero caratterizzati, gli embriologi furono in grado di identificare i principi fondamentali che governano il progetto animale.
La prima dimostrazione degli organizzatori – le regioni di un embrione o di un tessuto che hanno effetti ad ampio raggio sul destino dei tessuti circostanti – è stata ottenuta da Mangold e Spemann nel 1924.
“Mi piacerebbe lavorare come un archeologo che mette insieme i frammenti di qualcosa di bello che sono stati lasciati solo a lui. Man mano che egli procede, frammento dopo frammento, è guidato dalla convinzione che questi frammenti siano parte di un insieme più grande che, comunque, lui ancora non conosce.” (HANS SPEMANN, Embryonic Development and Induction, 1938).
Ricordiamoci che possiamo suddividere i geni in:

• geni strutturali
• geni regolatori

In questo modulo ci occuperemo di questi ultimi, la cui funzione è quella di controllare l’attività di altri geni.
Ricordiamoci che il cambiamento genetico è dominato dalle mutazioni neutre.
Una mutazione regolativa è qualsiasi mutazione che influisce sull’espressione di un gene: soprattutto, l’attivazione o la disattivazione di specifici geni nel corso dello sviluppo. Sono esse che stabiliscono il nesso tra evoluzione molecolare ed evoluzione organismica.
Una mutazione in un gene regolatore può avere effetti sorprendenti. Sono stati per la prima volta identificati sulla base dei disastri e delle anomalie che causano quando sono mutati. Esistono due fonti di mutazioni: la prima include rare mutazioni spontanee che accadono nelle popolazioni di laboratorio di animali modello (moscerino della frutta o topo); la seconda risulta in mutazioni casuali indotte da trattamenti con mutageni (sostanze chimiche o radiazioni) che accrescono nel genoma la frequenza dei geni danneggiati.
I geni che controllano la scansione temporale degli eventi nell’embriogenesi sono stati scoperti nel nematode Caenorhabditis elegans.
La macroevoluzione può derivare da cambiamenti a livello dei geni che controllano l’organizzazione spaziale delle diverse porzioni corporee. I geni omeotici determinano la regione corporea in cui si svilupperanno le ali, le zampe, o altro. I geni, cioè, comunicano alle cellule che esse fanno parte o della testa, o del torace o dell’addome, etc.
I prodotti di una classe di geni omeotici, Hox (abbreviazione di “homeobox”), forniscono le informazioni spaziali nell’embrione animale. Queste informazioni posizionali sollecitano le cellule di una particolare regione del corpo a svilupparsi in determinate strutture.
Bateson coniò per primo il termine di omeotiche, per descrivere trasformazioni in cui una parte corporea viene rimpiazzata da un’altra. Il mutante bithorax in Drosophila, è una mutazione spontanea in cui le appendici alari posteriori dei moscerini (altere o bilanceri) sono trasformate in tessuto alare, cioè parte di una struttura che si forma normalmente sul terzo segmento toracico si sviluppa nella struttura corrispondente del secondo segmento toracico. Altere e ali sono appendici omologhe in serie. Se altre mutazioni si combinano, si verifica una trasformazione più completa di una intera altera in ala → moscerino con quattro ali. Il fascino dei mutanti omeotici deriva da 2 questioni:

1. è sorprendente che una singola mutazione genica possa cambiare in modo così drastico l’intero percorso dello sviluppo di un animale complesso
2. la struttura formata nel mutante acquisisce un aspetto così ben sviluppato e identico all’altra parte del corpo

L’esistenza dell’homeobox è stata stabilita in Drosophila. Tra le caratteristiche che rendono questa specie preziosa per lo studio dell’eredità vi è la presenza di cromosomi politecnici giganti presenti in molte cellule, particolarmente nelle cellule delle ghiandole salivari. Successivamente è stato trovato l’homeobox in coleotteri e, tra i vertebrati, nell’anfibio anuro Xenopus laevis. In seguito, tutti gli altri vertebrati esaminati, compresa la specie umana, hanno mostrato di avere sequenze omologhe o simili.
“Molti passaggi genetici sembrano essere interposti tra la ricezione di un segnale, che viene dall’esterno del genoma, e la sua traduzione prima in termini genetici e successivamente in termini di sviluppo. Una gerarchia di geni potrebbe essere coinvolta in questo processo,…” (ANTONIO GARCIA-BELLIDO, 1975).
In Drosophila tre sistemi di coordinate operano nel territorio dell’ala sotto controllo dei prodotti dei geni Hox:

1. il primo sistema di coordinate è implicato nella determinazione del territorio lungo l’asse primario antero-posteriore (A/P);
2. il secondo sistema di coordinate agisce lungo l’asse dorso-ventrale (D/V);
3. il terzo sistema di coordinate, l’asse prossimo-distale (P/D), determina l’integrazione di queste informazioni e la specificazione dell’intero territorio dell’ala.

Gerarchie regolatorie governano la costituzione e il funzionamento di questi sistemi.
Cambiamenti a livello dei geni Hox possono avere un impatto profondo sulla morfologia dell’organismo. Ad esempio, l’evoluzione dei tetrapodi dai pesci, è uno dei principali cambiamenti che si sono verificati nella storia dei vertebrati con l’evoluzione delle zampe dalle pinne. Durante lo sviluppo di un tetrapode, in corrispondenza del margine esterno dell’abbozzo dell’arto viene espresso un gene Hox. Il prodotto di questo gene dà chiaramente informazioni posizionali riguardanti l’accrescimento longitudinale delle ossa dell’arto. Un gene Hox analogo si esprime anche durante lo sviluppo della pinna di un pesce, ma in questo caso il gene viene espresso in una regione più piccola e più distante dall’apice dell’abbozzo della pinna. Una mutazione a livello di tale gene Hox, in grado di estendere la regione di espressione fino all’apice dell’abbozzo della pinna, ha probabilmente contribuito a produrre allungamenti scheletrici che hanno permesso la deambulazione nei vertebrati terrestri.

L’evoluzione dei vertebrati dagli invertebrati ha rappresentato un episodio macroevolutivo ancora più notevole e anch’esso è stato probabilmente associato a cambiamenti a livello di geni Hox.

 

In sintesi possiamo dire che sono tre gli aspetti generali concernenti l’architettura delle gerarchie regolatorie, i meccanismi che controllano l’espressione genica, e le funzioni dei geni per lo sviluppo nel controllare l’espressione genica e il piano di sviluppo nei territori cellulari:

1. Lo sviluppo dell’embrione e dei suoi elementi corporei avviene secondo una progressione ordinata nello spazio e nel tempo, attraverso la generazione sequenziale di sistemi di coordinate: la posizione di ogni elemento strutturale nell’adulto è determinata da una serie di gerarchie che suddividono l’embrione in elementi sempre più determinati.
2. L’organizzazione modulare di elementi cis-attivi che agiscono su geni individuali permette il controllo spaziale e temporale indipendente di caratteristiche distinte dell’espressione e della funzione genica: anche se viene utilizzata la stessa via di traduzione del segnale, una proteina segnale può essere espressa in popolazioni cellulari assolutamente non correlate in due diversi tessuti (ad opera dei propri elementi cis-attivi) e può controllare l’espressione di geni bersaglio completamente diversi (attraverso diversi elementi regolatori cis-attivi nei suoi geni bersaglio).
3. Le distribuzioni spaziali sono il prodotto di una regolazione combinatoria: nuove strutture vengono create dalla combinazione di informazioni provenienti da stadi di sviluppo precedenti. Il controllo combinatorio è il punto cardine per la specificità e per la diversità dell’espressione genica.

È ovvio il significato evolutivo della regolazione combinatoria: possono evolvere nuovi schemi di espressione genica attraverso l’integrazione di nuove combinazioni di elementi regolatori. I nuovi schemi di espressione genica, a loro volta, creano la possibilità di attuare ulteriori cambiamenti, e il ciclo continua.
Questi sono aspetti generali, da cui si può iniziare a prevedere come le diverse gerarchie regolatorie e le distribuzioni delle espressioni geniche potrebbero essersi assestate l’una con l’altra nel corso dell’evoluzione e in quale direzione potrebbero cambiare. Sarebbe necessario fare un inventario dei geni per lo sviluppo in tutto il regno animale ed esaminare i meccanismi regolatori alla base della costituzione animale in un contesto filogenetico e comparativo per comprendere cosa è avvenuto e come si è evoluta la diversità morfologica. Vi darò dei cenni soltanto.
“Le specie e i gruppi di specie che vengono definiti aberranti, e che possono essere fantasiosamente chiamati fossili viventi, ci aiuteranno ad avere un’immagine delle più antiche forme di vita. L’embriologia ci rivelerà in molti casi la struttura, a certi livelli poco chiara, dei prototipi di ciascuna grande classe.” (CHARLES DARWIN, L’origine delle specie, 1859).
La presenza di molti geni regolatori dello sviluppo simili e condivisi da animali diversi e lontani evolutivamente (es topo e moscerino della frutta), pone la domanda: “se tutti i bilateri hanno in comune un insieme di geni dello sviluppo, come si è evoluta la diversità morfologica?”
Devono essere presenti differenze genetiche tra diverse linee evolutive animali che dirigono lo sviluppo delle diverse morfologie.

• Una potenziale sorgente di differenze genetiche tra gli animali è costituita dal contenuto codificante dei loro genomi, dal numero e dalle funzioni biochimiche dei geni per lo sviluppo.
• Un’altra possibile fonte di diversità è rappresentata dalle modalità con le quali vengono usati questi geni durante lo sviluppo sia per lo schema che per il periodo in cui essi vengono espressi e per le loro interazioni con altri geni dello sviluppo all’interno di circuiti e reti regolatori.

Il numero di geni contenuti all’interno di un genoma nel corso dell’evoluzione è variabile, e la duplicazione genica aumenta il contenuto dell’informazione e la potenziale complessità dei programmi per lo sviluppo. L’espansione delle famiglie geniche durante l’evoluzione può essere rintracciata attraverso l’analisi comparativa dei geni presenti negli organismi moderni, attualmente viventi, e localizzando gli eventi di duplicazione genica all’interno della filogenesi animale.
L’analisi delle famiglie geniche rivela due periodi di principale cambiamento genomico nell’arco dell’evoluzione animale che sono in relazione con l’emergere di forme animali più complesse:

1. corrisponde alla fase di transizione verso i bilateri triploblastici, avvenuta molto precocemente nell’albero animale;
2. può essere localizzato temporalmente alla base della linea evolutiva dei vertebrati

La dimensione del corredo genetico per lo sviluppo sembra essere pressoché equivalente tra phyla di bilateri completamente diversi dal punto di vista morfologico
l’espansione del corredo genetico per lo sviluppo è in relazione con l’aumento della complessità animale ma non con la diversità.
I cambiamenti evolutivi nelle proteine che costituiscono il corredo genetico dello sviluppo spesso non sono la sorgente primaria delle differenze genetiche alla base della diversità morfologica delle forme animali. Alcuni geni omologhi che si trovano in phyla molto diversi tra loro condividono funzioni biochimiche simili. Alcuni geni del corredo per lo sviluppo hanno funzioni simili, e queste somiglianze possono essere utilizzate per fare supposizioni sull’anatomia di animali ancestrali.
I genomi animali comprendono molte migliaia di geni, molti dei quali sono necessari per i processi fondamentali comuni della vita cellulare. Questi geni housekeeping (= che gestiscono la casa; geni che codificano per proteine implicate nei processi essenziali di tutte le cellule del corpo, quali il metabolismo o la biosintesi delle macromolecole) sono condivisi dalla maggior parte degli organismi viventi e anticipano nel tempo l’evoluzione della vita animale pluricellulare. I geni housekeeping non sono i candidati più verosimili come geni critici per l’evoluzione del complesso piano strutturale corporeo animale. Come e quando evolvono i geni? Come possiamo sperare di capire l’evoluzione iniziale dei geni, dato che gli animali primitivi che li possedevano sono ora estinti?
Molte delle nostre conoscenze sull’evoluzione del corredo genetico per lo sviluppo sono basate sulla logica deduttiva, utilizzando l’informazione proveniente dagli organismi attualmente esistenti per estrapolare la situazione nel passato (topo, Drosophila, C. elegans, il lievito Saccahromyces cerevisiae).
Uno dei processi più importanti implicati nell’organizzazione del corredo genetico per lo sviluppo consiste nella duplicazione e divergenza dei geni con la creazione di famiglie geniche. Oltre il 40% dei geni del nematode C. elegans presenta una somiglianza di sequenza con altri geni di C. elegans e questo si può spiegare con eventi di duplicazione genica verificatisi in un determinato periodo. I geni duplicati, spesso associati in tandem, possono essere prodotti per errori di slittamento dei filamenti del DNA durante la sua replicazione, errori nella riparazione di rotture del DNA su entrambe le eliche o per eventi di cross-over ineguale durante la ricombinazione.
Durante l’evoluzione animale si sono verificate duplicazioni di estesi segmenti cromosomici o di interi genomi (tetraploidizzazione). La tetraploidia iniziale di geni e cromosomi può gradualmente scomparire via via che i geni associati vengono separati o perduti a causa di riarrangiamenti e delezioni cromosomiche.
Siccome la duplicazione e la divergenza genica vanno in parallelo con la formazione dei rami delle linee evolutive animali, è stata sviluppata una terminologia che descrive le relazioni storiche tra i membri di una famiglia genica sia all’interno di un genoma che tra genomi animali diversi: omologhi, ortologhi, paraloghi.
Sebbene l’espansione del corredo genetico per lo sviluppo possa essere in relazione con la complessità morfologica, non sembra esistere una correlazione tra espansione dei geni per lo sviluppo dei vertebrati e diversità animale. La diversità morfologica dei vertebrati, si è evoluta partendo da un gruppo comune di geni per lo sviluppo.
“Noi suggeriamo che i cambiamenti evolutivi nell’anatomia e nel modo di vita siano più spesso basati sul cambiamento dei meccanismi che controllano l’espressione dei geni piuttosto che sul cambiamento nella sequenza delle proteine” (MARY-CLAIRE KING E ALLAN WILSON, 1975).
Diversificazione del piano strutturale generale e dei segmenti corporei:

• Quali sono le differenze genetiche che sono alla base della diversità della struttura corporea animale? I casi meglio studiati sono inerenti i geni Hox ed i loro geni bersaglio a valle.
• In quale momento dello sviluppo si origina la diversità del piano strutturale corporeo? Negli artropodi, ad esempio, in base alla generale somiglianza della segmentazione, è suggerito che il loro sviluppo possa procedere attraverso un programma regolatorio comune per la segmentazione, che successivamente diverge per dar luogo alle diverse organizzazioni della struttura corporea (numero e tipo di segmenti e appendici)
• L’invenzione delle ali può essere considerato un evento fondamentale nell’evoluzione degli insetti che ha favorito la loro radiazione e dominazione degli habitat terrestri.
• Si ritiene che le ali degli insetti si siano evolute una sola volta, molto precocemente lungo la linea evolutiva degli insetti. I reperti fossili di questi animali suggeriscono che, allo stato primitivo, strutture tipo ala fossero presenti su tutti i segmenti del tronco.

“…su queste specie di pergamene la natura scrive, come su una tavoletta, la storia delle modificazioni delle specie.” (HENRY WALTER BATES, The Naturalist on River Amazons, 1863).
“Le novità sorgono dall’associazione fino a quel momento non verificatasi di vecchio materiale. Creare è ricombinare.” (FRANÇOIS JACOB, 1977).
Come si evolvono nuove morfologie?

• Per spiegare i nuovi elementi corporei, è stata necessaria l’evoluzione di nuovi geni regolatori dello sviluppo?
• O si tratta di geni “vecchi” che sono stati assunti per svolgere ruoli nuovi?
• Nel caso si trattasse di un riutilizzo di geni regolatori, essi vengono scelti individualmente o come parte di un più ampio circuito preesistente?

“NOVITA’” è una struttura o una caratteristica di un elemento strutturale , o un intero assetto strutturale, che ha acquisito una nuova funzione adattativi.
Funzioni nuove possono essere acquisite da strutture morfologiche già esistenti.
Squame, penne e peli sono “appendici epidermiche” che forniscono protezione e sono utilizzate sia per la termoregolazione che per l’esibizione delle colorazioni. Durante la loro evoluzione hanno sviluppato diverse proprietà strutturali e funzionali che rendono più difficile riconoscere la loro comune storia evolutiva.
In ogni caso la diversità delle morfologie delle appendici epidermiche non trova riscontro nella estesa somiglianza degli stadi iniziali dello sviluppo di squame, penne e peli, che si originano come placodi epidermici.

Il successo dei vertebrati può essere attribuito a molti tratti esclusivi che si sono originati durante la loro evoluzione da un progenitore appartenente ai deuterostomi. Le novità che si sono evolute:

• arti pari pettorali e pelvici;
• un cervello ampio, complesso e suddiviso in aree;
• una popolazione di cellule della cresta neurale con capacità migratorie;
• una notocorda.

Confrontando la morfologia, l’ontogenesi, la genetica dello sviluppo, la storia dei fossili vertebrati e degli altri cordati è possibile rintracciare le origini evolutive di queste strutture. Geni regolatori conservati controllano la struttura di questi nuovi territori e tessuti in via di sviluppo rivelando che i nuovi programmi di sviluppo si sono evoluti attraverso l’integrazione di geni regolatori e circuiti preesistenti e l’espansione di ruoli strutturali ancestrali.
L’evoluzione adattativa dei vertebrati capaci di sopravvivere negli ambienti acquatico, terrestre e aereo ha comportato l’acquisizione e la modificazione di appendici pari pettorali e pelviche. Questi arti hanno potenziato l’agilità e la velocità nei vertebrati acquatici e sono stati successivamente utilizzati come strumenti principali per la locomozione sulla terra ferma. Basandosi sui reperti fossili, sembra che le pinne mediane siano comparse prima delle pinne pari, e che le coppie di pinne pettorali abbiano preceduto l’evoluzione di quelle pelviche.
Il gruppo di pesci ossei che ha dato origine alla linea dei tetrapodi includeva animali con pinne pettorali e pelviche strutturalmente simili.
Una nuova popolazione cellulare embrionale, la cresta neurale, si è evoluta durante l’elaborazione del piano strutturale corporeo dei vertebrati moderni. La sua comparsa potrebbe aver favorito nella linea dei vertebrati l’evoluzione di dimensioni corporee maggiori e di comportamenti più complessi, tra cui le interazioni di tipo sociale e predatorio.
In accordo con la nascita e la proliferazione delle cellule della cresta neurale, i vertebrati hanno sviluppato un cervello complesso e suddiviso in regioni.
L’aumentata complessità dello sviluppo neurale dei vertebrati potrebbe essere correlata con l’ampliamento del genoma dei vertebrati attraverso avvenimenti di duplicazione su ampia scala. La duplicazione genica e la divergenza potrebbero aver fornito le potenzialità per lo sviluppo di morfologie più complesse e, nel caso del cervello, per una gamma molto più ampia di comportamenti complessi.
L’evoluzione della notocorda raggruppa i cordati ed è la caratteristica distintiva da cui il phylum prende il nome ed ha comportato il reclutamento di un gene regolatore ancestrale T.

La riorganizzazione radicale dei piani strutturali corporei può comportare sia la comparsa di strutture nuove che la perdita di caratteri ancestrali:

1. la perdita della coda nelle ascidie (un cordato che non possiede le caratteristiche dei cordati) è associata allo sviluppo diretto, che include una rapida progressione alla forma sessile adulta. L’espressione alterata di un singolo gene regolatore necessario per lo sviluppo della coda potrebbe essere sufficiente a far evolvere una nuova forma larvale.
2. tetrapodi privi di arti, ovvero come il serpente ha perso le sue zampe. Il corpo allungato privo di arti è associato ad una vita strisciante e si è originato più volte in modo indipendente nel corso dell’evoluzione dei rettili. Il confronto tra serpenti e altri tetrapodi ha rivelato differenze genetiche chiave durante lo sviluppo nel differenziamento assiale e degli arti che sono in relazione con la transizione evolutiva verso l’assetto corporeo senza arti dei serpenti. La concomitante perdita degli arti anteriori e l’estensione dell’identità dell’asse toracico suggerisce l’esistenza di un meccanismo genetico comune alla base di queste transizioni evolutive. I reperti fossili e gli studi sullo sviluppo indicano che la riduzione e la perdita degli arti posteriori nei serpenti si è attuata attraverso una serie distinta di eventi evolutivi. Lo sviluppo iniziale apparentemente normale dell’arto vestigiale posteriore del pitone indicherebbe che la specificazione assiale e l’induzione precoce dello sviluppo dell’arto posteriore in questo animale è rimasta intatta. Il risultato finale è l’arresto dello sviluppo dell’arto posteriore per mancato accrescimento dell’abbozzo. La perdita di una struttura non è necessariamente accompagnata dalla perdita di geni o di un circuito regolatorio necessari alla costruzione di quella struttura. La condizione di assenza di arti può essere reversibile. Sono stati documentati rari casi naturali di cetacei con arti posteriori ben sviluppati. Basandosi su questi casi di reversione alla condizione ancestrale con gli arti, sembra che il programma di sviluppo per l’arto possa ancora essere presente negli animali senza arti.
3. evoluzione del piano strutturale corporeo negli echinodermi. La simmetria pentaradiale del sistema nervoso, collegato attraverso un anello nervoso centrale, ha portato ad ipotizzare che ciascun “braccio” dell’echinoderma rappresenti una duplicazione dell’asse di simmetria A/P. L’origine del piano strutturale corporeo altamente specializzato esclusivo degli echinodermi adulti rimane un enigma. Lo sviluppo di altre novità strutturali, compreso il sistema acquifero e l’endoscheletro calcareo, sembra coinvolgere geni regolatori comuni ad altri phyla.

L’evoluzione di nuove connessioni – tra vie di trasmissione del segnale e geni bersaglio, tra regolatori della trascrizione e geni strutturali – ha creato nuovi circuiti regolatori che hanno modellato lo sviluppo di una miriade di strutture funzionalmente importanti. Questi circuiti regolatori sono utili anche quali basi per una ulteriore diversificazione.
La scala temporale lungo la quale si sono evolute le nuove strutture o i piani strutturali corporei è notevole, dell’ordine dei milioni di anni.
 “Se fosse possibile prendere geni strutturali giudiziosamente scelti e disporli insieme nelle giuste relazioni con gli elementi regolatori, allora sarebbe possibile costruire dai geni umani, con piccole variazioni, ogni primate.
… Allo stesso modo sarebbe possibile costruire con i geni di un crostaceo superiore ogni specie di crostaceo” (EMILE ZUCKERKANDL, 1976).
Dal DNA alla diversità: il ruolo primario dell’evoluzione regolatoria:

• da quanto detto sino ad ora, possiamo concludere che i cambiamenti nella regolazione dei geni per lo sviluppo possono essere considerati come i meccanismi genetici predominanti alla base dell’evoluzione morfologica su ampia scala
• ci possiamo altresì chiedere se le variazioni su piccola scala e le differenze nella morfologia all’interno o tra le specie sono anch’esse di natura regolatoria
• i meccanismi genetici responsabili delle differenze tra le specie o al loro interno sono sufficienti a giustificare il tipo di evoluzione morfologica su ampia scala?
• perché l’evoluzione regolatoria rappresenta la forza principale nell’evoluzione morfologica?

Abbiamo precedentemente detto che i cambiamenti particolari nella regolazione genica in una porzione dell’animale, indipendenti da quelli in altre parti, sono alla base della diversificazione morfologica delle strutture omologhe in serie e dell’origine delle novità. L’evoluzione regolatoria è il meccanismo genetico che permette l’organizzazione modulare e la diversità dei bilateri di dimensioni maggiori e la comparsa di nuovi caratteri morfologici.
L’evoluzione regolatoria è efficace per:

1. permette la pleiotropia dei geni per lo sviluppo: lo stesso fattore di trascrizione controlla diversi geni bersaglio in tessuti diversi durante stadi distinti dello sviluppo
2. permette la modularità dello sviluppo: nei metazoi, il grande successo - in termini di diversità di specie e adattamento agli ambienti terrestre, acquatico e aereo – dei piani strutturali corporei suddivisi in moduli (artropodi, vertebrati, anellidi) suggerisce che la modularità dei meccanismi regolatori, a livello anatomico e molecolare, abbia facilitato questa diversità
3. è una sorgente ricca e continua di variazione genetica, dello sviluppo e del fenotipo, e quindi di cambiamento evolutivo.
4. crea le novità: le nuove combinazioni di espressione genica che possono originarsi facilitano nuove morfologie senza cambiamenti nella funzione proteica.

Riferimenti bibliografici

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• Campbell Neil A., Reece Jane B. – Biologia – Zanichelli -2004
• Carroll Sean B., Grenier Jennifer K., Weatherbee Scott D. – Dal DNA alla diversità – Zanichelli – 2004
• Darwin Charles – L’origine delle specie – Zanichelli – 1982
• Gehring Walter J. – Le basi molecolari dello sviluppo - Le Scienze, n. 208, dicembre 1985, p. 152
• McGinnis W., Kuziora M., The molecular architects of body design. Sci Am Feb 1994:58-66. [Trad.it.: Le molecole che determinano la forma corporea. Le Scienze, n. 308, aprile 1994]
• Wilson A.C., The molecular basis of evolution. Sci Am 1985; 253:164-173. [Trad.it.: Le basi molecolari dell’evoluzione. Le Scienze, n. 208, dicembre 1985, p. 166]

Esercitazioni/approfondimenti
Non è necessario che rispondiate in modo puntuale a queste domande, ma, se preferite, utilizzatele come traccia per rielaborare quanto avete appreso nel corso di questi primi quattro moduli. Alcune di queste domande sono collegate (una è la conseguenza di quella precedente), potrebbero essere domande che vi vengono poste dai vostri alunni o che vi siete posti voi stessi. Vi devono servire per meditare e riformulare dei concetti che dovreste aver appreso. Sono domande che si sono posti o si pongono tuttora i ricercatori. Provate a mettervi alla prova cercando di spiegare con parole vostre cosa avete capito, in base anche alle vostre conoscenze pregresse. Ricordate che alcune di queste domande-stimolo potrebbero non avere una risposta precisa, ma essere ancora soggetto di ricerca e di risposta.

1. Come si può arrivare attraverso un meccanismo elementare e casuale, quale è quello del processo evolutivo, a produrre gli eccezionali adattamenti osservabili negli organismi viventi nonché la loro incredibile complessità?
2. Come fanno piccole modificazioni a condurre a grossi cambiamenti?
3. Perché si osservano un certo numero di specie ben definite invece di un’enorme varietà di forme di transizione fra una specie e l’altra, portanti infinite sfumature di caratteri poco diversi fra loro?
4. Come si sono originati organi complessi e perfetti come l’occhio o il rene o comportamenti istintivi molto articolati ed elaborati? O meglio, quali e quante piccole modificazioni sono necessarie per raggiungere un grosso cambiamento? Su quale base vengono selezionati gli individui portatori di tali piccole variazioni?
5. Che cosa è successo fino ad un attimo prima che un carattere compaia in tutta la sua compiutezza e funzionalità? Come si è arrivati fino a lì? Perché sono stati selezionati organi che erano ancora imperfetti?

Infine fate una piccola riflessione sulle citazioni presenti in questo modulo: quale vi è piaciuta/vi ha colpito di più e perché.