La famiglia del gene della B-globina

Il genoma umano consiste di circa 3 miliardi di coppie di basi. Fino a poco tempo fa, gli scienziati avevano previsto che questa grande quantità di DNA avrebbe codificato quasi 100.000 geni diversi; tuttavia, ora che il sequenziamento dell’intero genoma umano è quasi completo, quel numero è sceso a soli 30.000 geni. Infatti, un’attenta analisi del genoma ha dimostrato che ben oltre il 90% del genoma consiste di DNA non funzionale.

Del restante DNA funzionale, il 25-50% dei geni che codificano le proteine si trovano solo una volta nel genoma aploide e sono noti come geni solitari. Spesso, il DNA che circonda un particolare gene contiene sequenze che sono copie vicine, ma non identiche, del gene. Si ritiene che queste copie multiple siano il risultato della duplicazione e della divergenza. Questo è il processo per cui un singolo gene viene prima duplicato e poi subisce una pressione selettiva per mutare in un gene che è simile, ma non identico, nella sequenza al suo gene ancestrale. Un esempio di questo processo è lo sviluppo della famiglia di geni della beta-globina. Dopo aver sequenziato i geni della famiglia della globina da diverse specie, è stato sviluppato un albero evolutivo che prevede lo sviluppo della famiglia dei geni della globina. Un albero proposto è mostrato qui sotto e illustra la divergenza dei geni dalla legemoglobina nelle piante all’emoglobina e alla mioglobina negli animali. Ad ogni punto del ramo il gene si è duplicato e poi muta in un nuovo gene, ma simile. Per esempio, ad un certo punto della storia il gene ancestrale comune ha subito prima una duplicazione. Le due copie risultanti sono poi mutate in modi diversi; una formando l’emoglobina delle gambe e l’altra l’emoglobina degli insetti.

Figura 1: Schema dell’albero della famiglia della globina (Lodish et.al.,2000)

Un insieme di geni duplicati che codificano proteine con sequenze di aminoacidi simili ma non identiche è noto come una famiglia genica (Lodish et.al., 2000). Sono state identificate numerose famiglie di geni con varie funzioni. Per esempio, la formazione di una molecola di emoglobina funzionale richiede l’uso dei prodotti di due di queste famiglie di geni combinando due polipeptidi della famiglia b-globina con due polipeptidi della famiglia a-globina e quattro piccoli gruppi eme. La famiglia genica della beta-globina situata sul cromosoma 11 è mostrata nella figura qui sotto e consiste di cinque geni funzionali (scatole blu) e due pseudogeni (linee diagonali).

Figura 2: La famiglia genica della beta-globina sul cromosoma 11 (Lodish et.al., 2000)

Tutte le emoglobine codificate da questi diversi geni funzionano per trasportare l’ossigeno nel sangue; tuttavia, ogni gene presenta variazioni specifiche nella funzione. Per esempio, il gene della globina epsilon è normalmente espresso nel sacco vitellino embrionale, mentre i geni Ag e Gg sono espressi solo durante lo sviluppo fetale. Queste proteine dell’emoglobina hanno una maggiore affinità di legame per l’ossigeno rispetto alle emoglobine adulte codificate dai geni b e d. Questo maggiore legame permette al feto di estrarre con successo l’ossigeno dal sangue senza competere con la madre. L’emoglobina adulta ha un’affinità di ossigeno più bassa che permette un migliore rilascio di ossigeno ai tessuti, specialmente ai muscoli.

Due regioni della famiglia dei geni della globina contengono sequenze non funzionali note come pseudogeni (scatole con linee diagonali). Questi geni sono simili alle loro controparti funzionali del gene della globina, ma non sono più trascritti in mRNA a causa dei cambiamenti di sequenza che si sono verificati nel corso della loro evoluzione.

Anche un piccolo cambiamento in uno dei geni che codifica una subunità della molecola di emoglobina può avere risultati disastrosi. Questo laboratorio si concentrerà su due malattie che risultano da diverse mutazioni nel gene della beta-globina.