Cricchetto di Muller - Muller's ratchet

Illustrazione del crossover cromosomico durante la ricombinazione genetica

Nella genetica evolutiva , il cricchetto di Muller (dal nome di Hermann Joseph Muller , per analogia con un effetto cricchetto ) è un processo attraverso il quale, in assenza di ricombinazione (soprattutto in una popolazione asessuale ), risulta un accumulo di mutazioni deleterie irreversibili. Ciò accade a causa del fatto che in assenza di ricombinazione e supponendo che le mutazioni inverse siano rare, la prole porta almeno lo stesso carico mutazionale dei genitori. Muller ha proposto questo meccanismo come uno dei motivi per cui la riproduzione sessuale può essere favorita rispetto alla riproduzione asessuata , poiché gli organismi sessuali beneficiano della ricombinazione e della conseguente eliminazione delle mutazioni deleterie. L'effetto negativo dell'accumulo di mutazioni deleterie irreversibili può non essere prevalente negli organismi che, mentre si riproducono asessualmente, subiscono anche altre forme di ricombinazione. Questo effetto è stato osservato anche in quelle regioni del genoma di organismi sessuali che non subiscono ricombinazione.

Etimologia

Sebbene Muller abbia discusso dei vantaggi della riproduzione sessuale nel suo discorso del 1932, non contiene la parola "cricchetto". Muller ha introdotto per la prima volta il termine "cricchetto" nel suo articolo del 1964 e la frase "cricchetto di Muller" è stata coniata da Joe Felsenstein nel suo articolo del 1974, "The Evolutionary Advantage of Recombination".

Spiegazione

La riproduzione asessuata obbliga i genomi ad essere ereditati come blocchi indivisibili in modo che una volta che i genomi meno mutati in una popolazione asessuata iniziano a portare almeno una mutazione deleteria, non ci si può aspettare che nelle generazioni future si trovino genomi con un minor numero di tali mutazioni (tranne che come risultato di retromutazione ). Ciò si traduce in un eventuale accumulo di mutazioni note come carico genetico . In teoria, il carico genetico portato dalle popolazioni asessuali alla fine diventa così grande che la popolazione si estingue. Inoltre, esperimenti di laboratorio hanno confermato l'esistenza del cricchetto e la conseguente estinzione di popolazioni in molti organismi (sotto intensa deriva e quando non sono consentite ricombinazioni) inclusi virus a RNA, batteri ed eucarioti. Nelle popolazioni sessuali, il processo di ricombinazione genetica consente ai genomi della prole di essere diversi dai genomi dei genitori. In particolare, i genomi della progenie (progenie) con meno mutazioni possono essere generati da genomi parentali più altamente mutati mettendo insieme porzioni prive di mutazioni dei cromosomi parentali. Inoltre, la selezione purificante , in una certa misura, alleggerisce una popolazione caricata quando la ricombinazione risulta in diverse combinazioni di mutazioni.

Tra protisti e procarioti esiste una pletora di organismi presumibilmente asessuati. È stato dimostrato che sempre più persone scambiano informazioni genetiche attraverso una varietà di meccanismi. Al contrario, i genomi dei mitocondri e dei cloroplasti non si ricombinano e subirebbero il cricchetto di Muller se non fossero piccoli come sono (vedi Birdsell e Wills [pp. 93-95]). Infatti, la probabilità che i genomi meno mutati in una popolazione asessuata finiscano per portare almeno una mutazione (aggiuntiva) dipende fortemente dal tasso di mutazione genomica e questo aumenta più o meno linearmente con la dimensione del genoma (più precisamente, con il numero di paia di basi presenti nei geni attivi). Tuttavia, le riduzioni delle dimensioni del genoma, specialmente nei parassiti e nei simbionti, possono anche essere causate dalla selezione diretta per eliminare i geni che sono diventati inutili. Pertanto, un genoma più piccolo non è un'indicazione sicura dell'azione del cricchetto di Muller.

Negli organismi che si riproducono sessualmente, anche i cromosomi non ricombinanti o le regioni cromosomiche come il cromosoma Y dei mammiferi (con l'eccezione delle sequenze multicopia che coinvolgono la ricombinazione intracromosomica e la conversione genica) dovrebbero essere soggetti agli effetti del cricchetto di Muller. Tali sequenze non ricombinanti tendono a rimpicciolirsi ed evolversi rapidamente. Tuttavia, questa rapida evoluzione potrebbe anche essere dovuta all'incapacità di queste sequenze di riparare il danno al DNA tramite la riparazione assistita da stampo, che equivale a un aumento del tasso di mutazione per queste sequenze. Attribuire casi di restringimento del genoma o rapida evoluzione al solo cricchetto di Muller non è facile.

Il cricchetto di Muller si basa sulla deriva genetica e gira più velocemente in popolazioni più piccole perché in tali popolazioni le mutazioni deleterie hanno maggiori possibilità di fissazione. Pertanto, pone i limiti alla dimensione massima dei genomi asessuati e alla continuità evolutiva a lungo termine dei lignaggi asessuati. Tuttavia, si pensa che alcuni lignaggi asessuati siano piuttosto antichi; I rotiferi bdelloid, per esempio, sembrano essere asessuali da quasi 40 milioni di anni. Tuttavia, è stato scoperto che i rotiferi possiedono un numero sostanziale di geni estranei da possibili eventi di trasferimento genico orizzontale . Inoltre, un pesce vertebrato, Poecilia formosa , sembra sfidare l'effetto cricchetto, essendo esistito per 500.000 generazioni. Ciò è stato spiegato dal mantenimento della diversità genomica attraverso l' introgressione dei genitori e da un alto livello di eterozigosi derivante dall'origine ibrida di questa specie.

Calcolo della classe più adatta

Nel 1978 John Haigh utilizzò un modello di Wright-Fisher per analizzare l'effetto del cricchetto di Muller in una popolazione asessuale. Se il cricchetto è in funzione, la classe più adatta (individui meno carichi) è piccola e soggetta all'estinzione per effetto della deriva genetica. Nel suo articolo Haigh deriva l'equazione che calcola la frequenza degli individui portatori di mutazioni per la popolazione con distribuzione stazionaria:

dove, è il numero di individui portatori di mutazioni, è la dimensione della popolazione, è il tasso di mutazione ed è il coefficiente di selezione.

Pertanto, la frequenza degli individui della classe più adatta ( ) è:

In una popolazione asessuale che soffre di cricchetto la frequenza degli individui più adatti sarebbe piccola, e si estinguerebbe dopo poche generazioni. Questo è chiamato un clic del cricchetto. Dopo ogni clic, il tasso di accumulo di mutazioni deleterie aumenterebbe e alla fine si tradurrà nell'estinzione della popolazione.

L'antichità della ricombinazione e il cricchetto di Muller

È stato sostenuto che la ricombinazione fosse uno sviluppo evolutivo antico quanto la vita sulla Terra. I primi replicatori di RNA in grado di ricombinarsi potrebbero essere stati la fonte sessuale ancestrale da cui potrebbero emergere periodicamente lignaggi asessuati . La ricombinazione nelle prime linee sessuali potrebbe aver fornito un mezzo per far fronte al danno genomico. Il cricchetto di Muller in condizioni così antiche avrebbe probabilmente impedito la persistenza evolutiva dei lignaggi asessuati che non erano in grado di subire la ricombinazione.

Cricchetto di Muller e fusione mutazionale

Poiché le mutazioni deleterie sono dannose per definizione, l'accumulo di esse comporterebbe la perdita di individui e una popolazione più piccola. Piccole popolazioni sono più suscettibili all'effetto cricchetto e mutazioni più deleterie sarebbero fissate a causa della deriva genetica. Questo crea un ciclo di feedback positivo che accelera l'estinzione di piccole popolazioni asessuate. Questo fenomeno è stato chiamato fusione mutazionale .

Guarda anche

Riferimenti

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