Vol. 2° -  XIX.11.1.

Emoglobina e mioglobina

L’evoluzione dell’emoglobina e della mioglobina è un esempio classico in cui si pensa che essa si sia verificata attraverso un processo rappresentato da successive duplicazioni del gene. Ambedue queste molecole proteiche sono importanti per il trasporto dell’ossigeno nei vertebrati: l’emoglobina, contenuta nei globuli rossi nella quantità di 280 milioni di molecole per eritrocita, assicura il trasporto dell’ossigeno dai polmoni ai tessuti; la mioglobina rappresenta una riserva di ossigeno prevalentemente per il muscolo scheletrico.

Nell’uomo, la forma predominate di emoglobina dell’adulto è rappresentata da due coppie di catene polipeptidiche, a e b globina, costituite ognuna da due subunità di catene polipeptidiche uguali (quindi a1 e a2 - b1 e b2), ma esistono anche delle piccole quantità di varianti dell’emoglobina normale, che finora assommano a 90. Altre forme di emoglobina sono presenti nel feto (forma g) e nell’embrione durate le primissime fasi di sviluppo (forma e).

Nelle specie di mammiferi e di uccelli in cui finora l’emoglobina è stata esaminata, è possibile assegnare le catene di globina a uno dei due tipi base, a e b. La suddivisione si basa sul grado di omologia tra la globina in questione e il tipo a oppure b, e si pensa che tale omologia rifletta la loro origine evoluzionistica.

Fig. XIX. 9 – Probabili relazioni evoluzionistiche delle globine umane a b, g, d, e e z  
I numeri indicano i milioni di anni dall’inizio della divergenza.
Si è dell’avviso che a ogni punto delle ramificazioni si sia verificata una duplicazione genica.

Nell’uomo il tipo b comprende le globine b, g, d ed e, mentre il tipo a comprende le globine a e z. Si pensa che le globine appartenenti al tipo a siano andate incontro a divergenza 400 milioni d’anni fa, prima del distacco di mammiferi e uccelli dai rettili, mentre le globine del tipo b hanno subito lo stesso processo di divergenza circa 200 milioni d’anni fa, contemporaneamente al distacco filogenetico dei mammiferi e degli uccelli.

Nel pollo domestico esistono due forme principali di emoglobina adulta, A e D, HbA 70% e HbD 30%, nonché due forme minori, H e L, HbH - HbL presenti in tracce. Come nel caso dei mammiferi, esistono almeno 3 forme di emoglobina embrionale, presenti nei globuli rossi che si sviluppano nel sacco vitellino fino al 5° giorno d’incubazione. Tra il 5° e il 12° giorno le cellule embrionali della serie rossa vengono gradualmente sostituite da eritrociti normali contenenti emoglobina adulta. Recentemente sono stati scoperti altri tipi di globine che appartengono al tipo a oppure al tipo b e queste catene vengono codificate da due famiglie multigeniche. Una famiglia multigenica consiste in un gruppo di geni tra loro correlati, e raggruppati tra loro su particolari cromosomi. Si pensa che questi geni siano derivati da successive duplicazioni geniche verificatesi durante la meiosi a causa di un crossingover ineguale. Un buon numero di famiglie multigeniche è stato identificato, e i geni delle globine appartenenti al tipo b sono stati mappati usando una banca genomica [1] del pollo domestico.

Le famiglie geniche per la globina sono spesso considerate come un paradigma nello studio dell’espressione genica regolata dallo sviluppo dell’organismo. I globuli rossi degli uccelli sono particolarmente utili sotto questo profilo in quanto presentano degli stadi di sviluppo ben definiti nella loro successione. Dal momento che anche il tipo a della globina è stato sottoposto a sequenziamento, è possibile studiare in modo dettagliato la regolazione dipendente dallo sviluppo.

L’espressione genica dipende in primo luogo dalla trascrizione, e questo fatto richiede l’unione della RNA polimerasi ai siti promotori adiacenti al gene. In questo punto esistono anche delle sequenze di DNA poste al di fuori della regione del promotore, note come enhancers, in grado di incrementare la velocità di trascrizione, e sono spesso molto importanti nella regolazione genica durante il processo di sviluppo dell’organismo, e possono essere specifici a seconda dei tipi di tessuto. Sono in grado di agire a distanza, cioè non hanno bisogno di essere adiacenti al gene, e possono essere localizzati dal lato 5’ oppure 3’ del gene stesso.

Gli enhancers interagiscono con proteine specifiche, e si pensa che in qualche modo rendano il gene più accessibile alla RNA polimerasi. Si è visto che gli enhancers sono adiacenti ad ambedue le famiglie per a e b globina, localizzate su cromosomi differenti: sul cromosoma 1 o 2 la famiglia a, su un piccolo macrocromosoma o forse su un microsoma grande la famiglia b. Inoltre, considerando l’evoluzione di un particolare gruppo di proteine in seno a una specie, è possibile tessere delle relazioni tra gli stadi evoluzionistici in seno alla specie nei confronti dell’evoluzione e della divergenza di specie, di generi e di famiglie fra loro.

Si pensa che la catena di e globina si sia evoluta dalla b globina per duplicazione genica. In base alle differenze tra gli aminoacidi di queste globine, il gene della e globina del pollo domestico si è evoluto sin dal momento dell’origine della classe degli uccelli, e nei mammiferi le globine di tipo e si sono evolute dal loro tipo b in modo indipendente.

Il pollo domestico è alquanto insolito per il fatto di possedere due tipi di globine a, a^A e a^D, ciascuna presente in discreta quantità. La globina a^D è presente nel nandù, nello struzzo, nel fagiano, nel passero, nell’oca selvatica e nel condor delle Ande, mentre altre specie di uccelli, come pinguino, egretta, piccione, cuculo e parrocchetti non posseggono la globina a^D, assente anche nei mammiferi. Si pensa che gli uccelli che non presentano la globina a^D hanno perso la capacità di esprimere il relativo gene, espresso precocemente nei loro antenati. Non è certo se questa emoglobina sia essenziale nel pollo domestico. Sta di fatto che negli ultimi stadi embrionali l’emoglobina a^D è presente in proporzioni più elevate rispetto all’adulto e che la presenza dell’emoglobina a^D aumenta l’affinità del sangue per l’ossigeno.

Fig. XIX. 10 – Evoluzione delle globine - mioglobina ed emoglobina - nel pollo domestico.

Nonostante la mioglobina sia stata sottoposta a sequenziamento in molte specie di vertebrati, è stata studiata secondo lo stesso principio solo in due specie di uccelli: pollo domestico e Pinguino imperatore, Aptenodytes forsteri. Pertanto al momento attuale non abbiamo informazioni sufficienti, basate su questa sostanza, allo scopo di chiarire l’evoluzione in seno alla classe degli uccelli. Nel caso delle emoglobine è possibile non solo paragonare le sequenze aminoacidiche, ma anche le sequenze dei nucleotidi, dal momento che i dati sulle sequenze sono disponibili da un elevato numero di globine a e b, come pure da un certo numero di pseudogèni [2] della globina.

Così diventa possibile paragonare il numero di cambiamenti a carico della sequenza nucleotidica, che si manifesta in un cambiamento nella sequenza degli aminoacidi, con il numero di mutazioni che non provocano alcun cambiamento, che sono le cosiddette sostituzioni silenti. I dati a disposizione depongono per una prevalenza di mutazioni nella sequenza nucleotidica con mutazione nella sequenza aminoacidica rispetto alle sostituzioni silenti. Tutto ciò conforta la teoria secondo cui l’evoluzione della globina è il risultato di una selezione naturale che si è svolta su mutazioni di geni duplicati, e si contrappone alla visione neutralista secondo cui una deriva genetica casuale sarebbe responsabile del cambiamento nella sequenza aminoacidica.