Le duplicazioni di ampi segmenti di DNA non codificante nel genoma umano possono aver contribuito all'emergere di differenze tra umani e primati non umani, secondo i risultati presentati all'incontro annuale 2017 dell'American Society of Human Genetics (ASHG) a Orlando, Fla. Identificando queste duplicazioni, che includono sequenze regolatorie, e il loro effetto su tratti e comportamento può aiutare gli scienziati a spiegare i contributi genetici alle malattie umane.

Paulina Carmona Mora, dottorato di ricerca, chi ha presentato l'opera; Megan Dennis, dottorato di ricerca; e i loro colleghi dell'Università della California, Davis, studiare la storia delle duplicazioni umane specifiche (HSD), segmenti di DNA più lunghi di 1, 000 paia di basi che si ripetono nell'uomo ma non nei primati o in altri animali. In questo studio, si sono concentrati sulle regioni HSD che non codificano per i geni, ma regolano invece l'espressione di altri geni.

"La particolarità di questi elementi regolatori è che hanno la propensione a influenzare l'espressione di geni vicini sullo stesso cromosoma, così come altrove nel genoma, " ha detto il dottor Dennis. "Ciò significa che una duplicazione potrebbe influenzare molti geni, amplificandone l'impatto».

Poiché i segmenti duplicati sono identici per più del 98%, è difficile distinguerli, Il dottor Dennis ha spiegato. Di conseguenza, sono stati scartati in molte analisi genomiche passate. Per questa ragione, i ricercatori hanno iniziato creando un nuovo genoma di riferimento umano che includeva i segmenti duplicati. Ciò ha permesso loro di identificare le aree suscettibili di contenere potenziatori, che sono elementi regolatori che aumentano l'espressione di altri geni, e valutare il loro effetto sull'espressione genica attraverso organi e tipi di tessuto.

Per esempio, duplicazione del segmento SRGAP2, avvenuta circa tre milioni di anni fa, può essere associato a diversi tratti neurologici specifici dell'uomo, come una corteccia prefrontale più ampia nel cervello e sinapsi più efficienti, o connessioni tra le cellule cerebrali. Sorprendentemente, quando SRGAP2C specifico per l'uomo è stato espresso in embrioni di topo di laboratorio, i topi hanno avuto risultati simili. Oltre SRGAP2, molti dei geni contenuti nelle HSD esaminati erano associati allo sviluppo neurologico, e alcuni possono anche avere implicazioni per la risposta immunitaria.

"I nostri risultati indicano differenze tra umani e primati, e accenna a ciò che ci rende unici come esseri umani, " ha detto il dottor Dennis. Inoltre, poiché molte delle regioni genomiche soggette a duplicazione erano correlate a tratti neurologici, questo lavoro potrebbe suggerire strade future per gli scienziati che cercano di spiegare i meccanismi genetici alla base di malattie neurologiche come l'autismo, epilessia, e schizofrenia.

I ricercatori stanno attualmente convalidando le regioni potenziatrici candidate che hanno trovato confrontando i livelli di espressione genica tra i tipi di tessuto. Stanno anche valutando gli effetti dell'introduzione di una duplicazione sulla struttura e sulla funzione dei segmenti vicini. Finalmente, stanno misurando le differenze tra i segmenti originali (ancestrali) e le versioni duplicate che appaiono nelle generazioni successive, come cambiamenti di sequenza dopo la duplicazione e potenziali effetti sulla funzione.

"Tendiamo a pensare al DNA come una sequenza lineare, ma questi risultati ci ricordano quanto sia dinamico, " ha detto il dottor Carmona-Mora. "È emozionante vedere che non solo la duplicazione dei geni gioca un ruolo nell'evoluzione umana, ma forse la duplicazione degli elementi normativi sì, anche quelli al di fuori delle regioni previste".