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Famiglie Geniche

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Famiglie Geniche

Nel genoma umano, solo una minoranza dei geni (circa il 20%) è presente in copia singola. La maggior parte dei geni appartiene a famiglie geniche, ovvero gruppi di geni che mostrano un certo grado di omologia di sequenza (nukleotidica o aminoacidica) e/o somiglianza funzionale. All’interno delle famiglie geniche si ritrovano frequentemente anche copie non funzionali, note come pseudogeni.

Metodi di Scoperta

L’identificazione delle famiglie geniche è avvenuta storicamente mediante tre approcci principali:

  1. Sequenziamento e Banche Dati: L’allineamento di una sequenza nota (es. sul cromosoma 1) rivela la presenza di sequenze omologhe in altri loci (es. sul cromosoma 5).
  2. Ibridazione in situ: L’utilizzo di una sonda genica mostra segnali fluorescenti su cromosomi diversi (es. sul braccio lungo del cromosoma 18 e sul braccio corto del cromosoma 15).
  3. Southern Blot: La digestione enzimatica del DNA rivela bande di peso molecolare inaspettato (es. una banda a 5 Kb oltre a quella attesa a 7 Kb) dovute all’ibridazione della sonda con geni correlati ma caratterizzati da una diversa mappa di restrizione.

Significato Biologico della Duplicazione Genica

La duplicazione genica rappresenta uno dei principali motori dell’evoluzione per aumentare la complessità del genoma. Quando un gene ancestrale viene duplicato, si generano due copie:

  1. Copia originale: Sottoposta a forte pressione selettiva per mantenere la funzione biologica essenziale. Di conseguenza, presenta un tasso di mutazione/variazione estremamente basso.
  2. Copia rapida (o duplicata): Essendo ridondante, non è soggetta alla stessa pressione selettiva. Può quindi accumulare mutazioni a un tasso molto più elevato.

Le variazioni accumulate nella copia rapida possono portare a quattro diversi esiti evolutivi:

  • Esempio A (Amplificazione genica): Duplicazione in tandem per molecole ad elevata richiesta quantitativa, come gli rRNA e gli istoni.
  • Esempio B (Pseudogenizzazione): L’accumulo di troppe mutazioni inattiva la copia rapida, che si trasforma in uno pseudogene non codificante (che conserva esoni, introni e 3’UTR ma perde la capacità di esprimersi).
  • Esempio C (Neofunzionalizzazione): L’accumulo di variazioni fa acquisire alla copia rapida nuove funzioni biologiche affini (es. divergenza dei geni globinici in mioglobina e citoglobina).
  • Esempio D (Sub-funzionalizzazione): Le mutazioni avvengono principalmente a livello delle regioni regolatorie (promotore, introni, 5’UTR), modificando il profilo temporale o spaziale di espressione del gene (es. espressione differenziale in tessuti diversi o stadi diversi dello sviluppo).

Classificazione delle Famiglie Geniche

Le famiglie geniche si classificano in base al livello di omologia e alla loro organizzazione genomica:

1. Famiglie Ripetute in Tandem

I geni duplicati sono localizzati consecutivamente l’uno accanto all’altro (es. geni per l’rRNA). Derivano da fenomeni di crossing over ineguale: durante la meiosi, i cromosomi omologhi si appaiano in modo non perfetto (shiftato) in corrispondenza di regioni ripetute. La ricombinazione in queste zone determina la perdita (delezione) di copie geniche su un cromosoma e l’acquisizione (duplicazione) sull’altro omologo.

2. Famiglie Geniche Classiche

Caratterizzate da un’elevata omologia di sequenza nucleotidica (circa il 90-93%). Possono organizzarsi in:

  • In Cluster: I geni omologhi rimangono vicini nel medesimo locus genomico (es. i geni della Famiglia delle Globine, i geni sottoposti a imprinting o i geni dell’HLA). L’organizzazione in cluster è spesso essenziale per una regolazione coordinata in cis.
  • Intersperse: I geni omologhi o i relativi pseudogeni si trovano distribuiti su cromosomi diversi. Queste duplicazioni derivano da eventi di retrotrasposizione (es. il gene NF1 ha un unico gene funzionale e diversi pseudogeni interspersi; G3PDH e l’actina presentano pochi geni funzionali e numerosi pseudogeni sparsi nel genoma).

3. Famiglie con Domini Conservati

Non presentano una chiara omologia a livello di sequenza nucleotidica (DNA), ma codificano per proteine che condividono domini aminoacidici altamente conservati.

  • Homeobox (Hox): Fattori di trascrizione essenziali nello sviluppo embrionale che condividono il dominio proteico “homeo”.
  • Geni SOX: Famiglia di 19 geni che codificano per un dominio proteico “SRY-like” conservato, a fronte di sequenze di DNA divergenti.

4. Superfamiglie Geniche

Non presentano omologia di sequenza a livello di DNA, ma condividono un’omologia strutturale tridimensionale e una correlazione funzionale generale.

  • Superfamiglia delle Immunoglobuline: Comprende le immunoglobuline (anticorpi), i recettori dei linfociti T (TCR), e le molecole HLA di classe I e II. Tutte queste proteine presentano una struttura caratteristica con catene variabili e costanti stabilizzate da ponti disolfuro e partecipano alle funzioni immunitarie.

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(Sezione espansa con: sbobina 03)

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