Due nuovi importanti studi sull’evoluzione degli uccelli e dei mammiferi “Dense sampling of bird diversity increases power of comparative genomics” e “A comparative genomics multitool for scientific discovery and conservation” si sono basati sul Progressive Cactus, uno strumento di allineamento del genoma sviluppato dal Genomics Institute dell’università della California – Santa Cruz (UCSC) e presentato nello studio “Progressive Cactus is a multiple-genome aligner for the thousand-genome era”, un enorme ed eccezionale lavoro scientifico pubblicato su Nature e che mostra i risultati di un allineamento di 605 genomi che rappresentano centinaia di milioni di anni di evoluzione dei vertebrati. Questo allineamento senza precedenti combina due allineamenti più piccoli, uno per 242 mammiferi placentari e un altro per 363 uccelli, con i due studi che si concentrano separatamente sugli allineamenti del genoma dei mammiferi e degli uccelli e presentano importanti progressi nella comprensione della loro evoluzione, resi possibili da nuovi metodi per confrontare i genomi di centinaia di specie.
All’UCSC spiegano che «La genomica comparativa utilizza i dati genomici per studiare le relazioni evolutive tra le specie e per identificare le sequenze di DNA, con funzioni essenziali conservate in molte specie. Questo approccio richiede un allineamento delle sequenze del genoma in modo da poter confrontare le posizioni corrispondenti nei diversi genomi, ma questo diventa sempre più difficile man mano che il numero dei genomi cresce». I ricercatori hanno sviluppato un nuovo potente metodo di allineamento del genoma che ha reso possibili i nuovi studi, compreso il più grande allineamento genomico mai raggiunto di oltre 600 genomi di vertebrati, fornendo così una visione dettagliata di come le specie sono correlate l’una all’altra a livello genetico.
Benedict Paten , professore associato di ingegneria biomolecolare all’UCSC e autore corrispondente di due dei nuovi articoli, evidenzia che «Stiamo letteralmente allineando le sequenze di DNA per vedere le posizioni corrispondenti in ogni genoma, in modo che si possano guardare i singoli elementi del genoma e vedere in dettaglio cosa è cambiato e cosa è rimasto invariato nel tempo evolutivo. L’identificazione delle sequenze di DNA che vengono conservate, che restano invariate in milioni di anni di evoluzione, consente agli scienziati di individuare elementi del genoma che controllano funzioni importanti in un’ampia gamma di specie. Ti dice che lì qualcosa è importante – non è cambiato perché non può – e ora possiamo vederlo con una risoluzione più alta che mai».
La precedente generazione di strumenti di allineamento si basava sul confronto di tutto con un singolo genoma di riferimento, provocando un problema chiamato reference bias. Originariamente, Paten e il coautore Glenn Hickey, anche lui dell’UC Santa Cruz Genomics Institute, avevano sviluppato un programma di allineamento senza riferimenti chiamato Cactus, che all’epoca era all’avanguardia, ma funzionava solo su piccola scala. Il principale autori dei tre studi, Joel Armstrong, ex USCS e ora a Google, lo ha poi esteso per creare un nuovo potente programma chiamato Progressive Cactus, che può funzionare per centinaia e persino migliaia di genomi e spiega a sua volta: «La maggior parte dei metodi di allineamento precedenti erano limitati dal reference bias, quindi se il riferimento è umano, potrebbero dirti molto sulla relazione del genoma umano con il genoma del topo e molto sulla relazione del genoma umano con il genoma del cane, ma non molto molto sulla relazione del genoma del topo con il genoma del cane. Quello che abbiamo fatto con Progressive Cactus è capire come evitare la limitazione del reference bias pur rimanendo abbastanza efficienti e sufficientemente precisi da gestire l’enorme scala dei progetti di sequenziamento del genoma odierni».
Questa gigantesca collaborazione scientifica internazionale è stata coordinato da un team organizzativo guidato dai coautori Guojie Zhang dell’università di Copenhagen e della China National GeneBank, Elinor Karlsson del Broad Institute of Harvard e del MIT e Paten. I dati genomici utilizzati in queste analisi sono stati generati da due grossi consorzi: il progetto 10.000 Bird Genomes (B10K) per i genomi dell’avifauna e il progetto Zoonomia per i genomi dei mammiferi.
Gli scienziati hanno pianificato per anni il sequenziamento e l’analisi dei genomi di decine di migliaia di animali e David Haussler, direttore dell’UCSC Genomics Institute, ha contribuito ad avviare il progetto Genome 10K nel 2009. Lavori correlati a questo includono il Vertebrate Genome Project e l’Earth BioGenome Project, e ora tutti questi progetti stanno prendendo piede.
Paten è conc vinto che «Questi sono studi che guardano molto lontano, perché i metodi che abbiamo sviluppato aumenteranno la scala per arrivare ad allineamenti di migliaia di genomi. Man mano che la tecnologia di sequenziamento diventa più economica e veloce, le persone sequenziano centinaia di nuove specie e questo apre nuove possibilità per comprendere le relazioni evolutive e le basi genetiche della biologia. In questi genomi c’è una quantità enorme di informazioni».
Gli scienziati hanno sequenziato e registrato i genomi – la composizione genetica o “codice di vita” – di specie di quasi ogni ramo dell’albero genealogico degli uccelli: sono state catalogate 363 specie, di cui 267 sequenziati per la prima volta, un elenco che ora comprende oltre il 92% delle famiglie aviarie del mondo.
Uno degli autori dello studio, Michael Braun del Department of vertebrate zoology del National museum of natural history della Smithsonian Institution, ha detto in un’intervista a BBC News che «Questo ha rivelato il codice delle cose di cui Darwin era incuriosito e di cui scriveva. Dalle piume di colori incredibilmente diversi, alle dimensioni del corpo che vanno dal gigantesco struzzo gigante al minuscolo scricciolo e alla velocità di volo di un rapace fino a 300 km/h. è tutto codificato nel genoma. E questa pietra miliare è solo l’inizio».
La Smithsonian Institution ha dato un contributo essenziale allo studio sugli uccelli con la sua vasta collezione di esemplari e Braun è convinto che «Tutto questo farà progredire la ricerca sull’evoluzione degli uccelli e aiuterà la conservazione delle specie di uccelli minacciate».
Finora, l’elenco delle sequenze comprende specie rare come la schiribilla di Henderson (Porzana atra), un rallide che vive solo su una piccola isola delle Pitcairn, in Polinesia. Ma Braun fa notare che la “specie modello” per studiare alcuni esempi estremi di evoluzione dell’avifauna, compreso il modo in cui si sono evoluti uccelli giganti e incapaci di volare come lo struzzo, è stata l’umile gallina: «Abbiamo studiato intensamente lo sviluppo degli arti nel pollo. E possiamo applicare quel che abbiamo scoperto a questo gruppo di uccelli chiamati ratiti, uccelli come lo struzzo e l’emù. Con l’evoluzione dell’assenza di volo, ci sono stati molti cambiamenti nell’anatomia degli arti: le ali si sono accorciati, le penne per il volo sono diventate inutili, le loro gambe si sono allungate allungano e hanno perso un dito dei piedi, perché corrono invece di appollaiarsi. Con queste risorse, abbiamo i dettagli – il codice – di come è successo».
Alexander Lees, un biologo della Manchester Metropolitan University, ha definito il nuovo catalogo genetico «una miniera d’oro di informazioni. Permette uno sguardo raffinato all’albero della vita aviario – che risale al tempo profondo – il che può chiudere discussioni di lunga data tra i biologi evoluzionisti su “chi è l’antenato comune di chi”. E nuovi dati su più di 60 specie minacciate a livello globale sono un kit di strumenti essenziali per i genetisti della conservazione. Si tratta di informazioni che potrebbero rivelarsi cruciali per ridurre il rischio di estinzione a lungo termine per le specie odierne con popolazioni di piccole dimensioni».
La pubblicazione dei nuovi genomi è un grosso successo per il Bird 10,000 Genomes Project (B10K), una collaborazione internazionale che unisce ricercatori del National museum of natural history della Smithsonian Institution , gli istituti di zoologia di Kunming e Pechino,
Københavns Universitet, The Rockefeller University, BGI-Shenzen, Curtin University (Perth), Howard Hughes Medical Institute, Imperial College London e Statens Naturhistoriske Museum danese, che punta a sequenziare e condividere il genoma di ogni specie aviaria del pianeta.
Gary Graves , curatore dell’avifauna al National museum of natural history della Smithsonian Institution ricorda che «B10K è probabilmente il progetto più importante mai condotto per lo studio degli uccelli. Non solo speriamo di conoscere le relazioni filogenetiche tra i principali rami dell’albero della vita degli uccelli, ma stiamo fornendo un’enorme quantità di dati comparativi per lo studio dell’evoluzione dei vertebrati e della vita stessa. Grazie a 34 anni di lavoro sul campo e dozzine di spedizioni, siamo stati in grado di ottenere la scorta di DNA di alta qualità che rende effettivamente possibile questo progetto. Molte di queste risorse sono state immagazzinate molto prima che la tecnologia di sequenziamento del DNA fosse stata sviluppata, conservate per analisi future che i loro raccoglitori non avrebbero potuto immaginare in quel momento. E’ uno dei tanti motivi per cui le collezioni dei musei di storia naturale ei programmi di ricerca basati sui musei sono così importanti!»
Uno degli autori dello studio, Rob Fleischer del Center for Conservation Genomics dello Smithsonian Conservation Biology Institute, conclude: «Potrebbe sembrare che avere un genoma per ogni famiglia o specie di uccelli sia un po’ come collezionare francobolli, ma questo enorme sforzo di cooperazione ci ha fornito una serie di risorse genomiche molto importanti per la conservazione. Ad esempio, fornisce una fonte pronta di marcatori genetici utili per mappare il declino della popolazione, identificare i parenti e ridurre la consanguineità quando si gestiscono popolazioni per il salvataggio di specie in via di estinzione. Avere i genomi semplifica la ricerca di geni responsabili di importanti tratti di sopravvivenza come la resistenza a malattie mortali introdotte».
