Immagine ripresa da Introgression Figure 1. Examples of species that have experienced introgression. (A) Heliconius butterflies (photo: iNaturalist/Mike Melton). (B) Helianthus sunflowers (photo: iNaturalist/Grace Stark). (C) Brewer's yeasts (Saccharomyces cerevisiae; photo: Quinn K Langdon). (D) Humans (Homo sapiens; photo: mizmareck/Flickr). (E) Snowshoe hares (Lepus americanus; photo: Van Alstine). (F) Fire ants (Solenopsis sp.; photo: iNaturalist/ Eric Blomb- erg). (G) Darwin's finches (Geospiza species). (H) African Great Lake cichlids (family Cichlidae; photo: Catherine E Wagner). (I) Anopheles gambiae mosquitos (photo: CDC/Wikicommons).

L'introgressione si può studiare mediante il sequenziamento e il confronto dei genomi delle specie. Una volta ottenute le sequenze dei genomi delle specie coinvolte, sono necessari complessi algoritmi matematici, che attualmente fanno uso anche di una branca dell'intelligenza artificiale nota come machine learning, per identificare le tracce di introgressione tra i miliardi di basi del DNA confrontate.
Grazie a questi studi, sono stati individuati centinaia di esempi di introgressione nei genomi, si è visto che alcune regioni genomiche sono più propense all'introgressione di altre e che molti eventi di introgressione portano a un nulla di fatto perché i geni introgressi vengono prontamente eliminati dalla selezione naturale. Il DNA, infatti, proveniente da un occasionale incrocio con un'altra specie può avere destini molto diversi. Se l'introgressione avviene in una regione del genoma cosiddetta "neutrale", cioè a bassa densità genica e quindi non sotto pressione selettiva, il DNA introgresso sarà rimescolato dalla ricombinazione genica (crossing-over) durante la produzione di gameti e casualmente distribuito alla progenie (genetic drift). Se, invece, la regione genomica in cui va a finire il DNA introgresso è ricca di geni e quindi sotto pressione selettiva perché ogni variazione sarebbe letale, allora i geni introgressi saranno eliminati velocemente dalla popolazione. Infine, se il DNA introgresso fornisce un qualche vantaggio selettivo, allora, molto probabilmente i segmenti di materiale genetico provenienti da un'altra specie aumenteranno di frequenza nella popolazione coinvolta. Gli scienziati, per esempio, hanno dimostrato che nelle zanzare Anopheles gambiae e Anopheles coluzzii l'introgressione ha causato una rapida diffusione della resistenza agli insetticidi utilizzati dall'uomo.

Immagine ripresa da The contribution of Neanderthal introgression to modern human traits Figure 1. Neanderthal geographic range. Dating and location of some of the archaic hominin specimens for which nuclear ancient DNA is available are also shown. Asterisks (*) indicate genomes sequenced at high coverage.

Veniamo a Homo sapiens. I nostri parenti più vicini, i Neanderthal hanno vissuto in Europa occidentale a partire da 400000 anni fa fino alla loro estinzione, avvenuta 40000 anni fa. La prima sequenza di DNA dei Neanderthal, ottenuto da reperti fossili, è stata pubblicata nel 2010 dal gruppo di Svante Pääbo. Una delle prime interessanti scoperte derivate da questo importante risultato è stata la prova genetica che i nostri antenati si sono incrociati con i Neanderthal tra i 40000 e i 54000 anni fa. Dall'1 al 4 % del DNA delle popolazioni umane che hanno lasciato l'Africa, il continente in cui la nostra specie si è evoluta, è stato ereditato dai Neanderthal. Il gruppo di Svante Pääbo, diventato leader mondiale nell'estrazione e analisi di sequenze geniche da DNA antico, è stato protagonista anche di un'altra storica scoperta nel 2010. Dal DNA estratto dalla falange di un dito ritrovato in una caverna delle montagne Siberiane dell'Altai è stata ottenuta la prova inconfuntabile dell'esisteza di una specie di ominini mai identificati prima di allora, i Denisoviani. Ebbene, anche i Denisoviani hanno convissuto con i primi Homo sapiens migranti dall'Africa e con questi si sono incrociati. Tracce di introgressione dai Denisoviani sono state identificate nel nostro DNA. Queste regioni sono sotto studio, mentre quelle provenienti dai Neanderthal sono meglio caratterizzate.
Cosa abbiamo conservato nel nostro DNA proveniente da quello di questi parenti stretti?

Immagine ripresa da Figure 3 "Pääbo's discoveries have provided important information on how the world was populated at the time when Homo sapiens migrated out of Africa and spread to the rest of the world. Neanderthals lived in the west and Denisovans in the east on the Eurasian continent. Interbreeding occurred when Homo sapiens spread across the continent, leaving traces that remain in our DNA."

Iniziamo con il parlare delle regioni del nostro genoma dove non troviamo nessuna traccia di DNA di Neanderthal, i cosiddetti "deserti di introgressione". Uno di questi si trova nel cromosoma 7, nella regione in cui è localizzato un gene noto come FOXP2 coinvolto nel linguaggio parlato. Provate a fare un'ipotesi sul perché questa regione del nostro genoma sia stata in qualche modo "protetta" dall'introgressione. Qui si è avuta quella che si chiama selezione negativa.
La selezione positiva, invece, è avvenuta in altre regioni del nostro genoma, dove l'introgressione ha trasferito dal DNA di Neanderthal geni che in qualche modo ci hanno fornito dei vantaggi evolutivi. Tra questi troviamo geni implicati nella pigmentazione della pelle e dei peli, nel metabolismo e nell'immunità.
Nel cromosoma 9 nel 70 % degli europei c'è un allele proveniente dai Neanderthal che si esprime nei cheratinociti, influenzando il colore della pelle e la presenza di lentiggini. Nel cromosoma 11 un altro gene responsabile della proliferazione dei cheratinociti è presente nel 60 % delle popolazioni dell'est asiatico. Il colore della pelle è un carattere importante per l'adattamento al clima (leggi anche Melanina e lattasi: quando la selezione lascia tracce). Nel momento in cui Homo sapiens è migrato dall'Africa verso l'Asia e l'Europa questo carattere è stato sottoposto a una forte selezione naturale e i geni di Neanderthal ci hanno dato una mano ad adattarci.
Nel 50 % circa della popolazione messicana è stato trovato un allele che aumenta il rischio di sviluppare il diabete di tipo 2, ereditato anche questo da Neanderthal. Il suo significato adattativo non è ancora chiarito del tutto.
Infine, nel cromosoma 12 sono stati trovati tre geni derivati da Neanderthal con un chiaro coinvolgimento nella risposta immunitaria innata e contro i virus. Questi geni, presenti nel 30 % degli europei e asiatici del sud e nel 20 % degli est asiatici e americani, sono stati recentemente associati anche con la protezione dall'infezione grave da SARS-CoV-2. Evidentemente i Neanderthal hanno avuto a che fare con i coronavirus molto prima di noi...
Il premio Nobel per la medicina e la fisiologia 2022 è stato assegnato a Svante Pääbo proprio perché, fondando la paleogenomica, ci ha consentito di capire esattamente da dove viene la nostra specie, come si è evoluta e adattata, cosa abbiamo ereditato dai nostri parenti ominini e cosa ci rende unici.

Manuela Casasoli (manuela_casasoli@yahoo.it) - Pubblicato il 27 dicembre 2022