Nel profondo inverno, la temperatura dell’acqua nell’Oceano Artico coperto di ghiaccio può scendere sotto lo zero. Questo è abbastanza freddo da congelare molti pesci, ma le condizioni non preoccupano il merluzzo. Una proteina nel suo sangue e nei suoi tessuti si lega a minuscoli cristalli di ghiaccio e impedisce loro di crescere.

Dove il merluzzo ha ottenuto questo talento era un puzzle che la biologa evolutiva Helle Tessand Baalsrud voleva risolvere. Lei e il suo team all’Università di Oslo hanno cercato i genomi del merluzzo atlantico (Gadus morhua) e di molti dei suoi parenti più prossimi, pensando di rintracciare i cugini del gene antigelo. Nessuno si è presentato. Baalsrud, che all’epoca era un nuovo genitore, temeva che la sua mancanza di sonno le facesse perdere qualcosa di ovvio.

Ma poi si è imbattuta in studi che suggeriscono che i geni non sempre si evolvono da quelli esistenti, come i biologi hanno supposto a lungo. Invece, alcuni sono formati da tratti desolati del genoma che non codificano per nessuna molecola funzionale. Quando ha riguardato i genomi dei pesci, ha visto che questo potrebbe essere il caso: la proteina antigelo – essenziale per la sopravvivenza del merluzzo – era stata apparentemente costruita da zero1. A quel punto, un altro ricercatore aveva raggiunto una conclusione simile.2

Il merluzzo è in buona compagnia. Negli ultimi cinque anni, i ricercatori hanno trovato numerosi segni di questi geni “de novo” appena coniati in ogni stirpe che hanno esaminato. Questi includono organismi modello come moscerini della frutta e topi, importanti piante coltivate ed esseri umani; alcuni dei geni sono espressi nel tessuto cerebrale e testicolare, altri in vari tumori.

I geni de novo stanno anche spingendo a ripensare alcune parti della teoria evolutiva. La saggezza convenzionale era che i nuovi geni tendevano a sorgere quando quelli esistenti venivano accidentalmente duplicati, mescolati con altri o spezzati, ma alcuni ricercatori ora pensano che i geni de novo potrebbero essere abbastanza comuni: alcuni studi suggeriscono che almeno un decimo dei geni potrebbe essere fatto in questo modo; altri stimano che più geni potrebbero emergere de novo che dalla duplicazione del gene. La loro esistenza confonde i confini di ciò che costituisce un gene, rivelando che il materiale di partenza per alcuni nuovi geni è il DNA non codificante (vedi ‘Nascita di un gene’).

La capacità degli organismi di acquisire nuovi geni in questo modo testimonia la “plasticità dell’evoluzione per rendere possibile qualcosa di apparentemente impossibile”, dice Yong Zhang, un genetista presso l’Istituto di zoologia dell’Accademia cinese delle scienze a Pechino, che ha studiato il ruolo dei geni de novo nel cervello umano.

Ma i ricercatori devono ancora capire come identificare definitivamente un gene come de novo, e rimangono ancora domande su come – e quanto spesso – nascono. Gli scienziati si chiedono anche perché l’evoluzione dovrebbe preoccuparsi di creare geni da zero quando esiste già così tanto materiale pronto per i geni. Queste domande fondamentali sono un segno di quanto sia giovane il campo. “Non bisogna tornare indietro di molti anni prima che l’evoluzione genetica de novo sia stata respinta”, dice Baalsrud.

Nuovi arrivi

Negli anni ’70, i genetisti vedevano l’evoluzione come un processo piuttosto conservatore. Quando Susumu Ohno espose l’ipotesi che la maggior parte dei geni si fosse evoluta attraverso la duplicazione3, scrisse che “In senso stretto, nulla nell’evoluzione viene creato de novo. Ogni nuovo gene deve essere sorto da un gene già esistente”

La duplicazione genica avviene quando errori nel processo di replicazione del DNA producono istanze multiple di un gene. Nel corso delle generazioni, le versioni maturano mutazioni e divergono, in modo che alla fine codificano molecole diverse, ciascuna con la propria funzione. Dagli anni ’70, i ricercatori hanno trovato una serie di altri esempi di come l’evoluzione armeggia con i geni – i geni esistenti possono essere spezzati o “trasferiti lateralmente” tra le specie. Tutti questi processi hanno qualcosa in comune: il loro ingrediente principale è il codice esistente di una macchina molecolare ben oliata.

Ma i genomi contengono molto più che semplici geni: infatti, solo pochi per cento del genoma umano, per esempio, codifica effettivamente i geni. Accanto ci sono tratti sostanziali di DNA – spesso etichettati come “DNA spazzatura” – che sembrano non avere alcuna funzione. Alcuni di questi tratti condividono caratteristiche con i geni che codificano le proteine senza essere effettivamente dei geni: per esempio, sono disseminati di codoni di tre lettere che potrebbero, in teoria, dire alla cellula di tradurre il codice in una proteina.

Non è stato fino al ventunesimo secolo che gli scienziati hanno iniziato a vedere suggerimenti che le sezioni non codificanti del DNA potrebbero portare a nuovi codici funzionali per le proteine. Quando il sequenziamento genetico è progredito al punto che i ricercatori potevano confrontare interi genomi di parenti stretti, hanno iniziato a trovare prove che i geni potevano scomparire piuttosto rapidamente durante l’evoluzione. Nel 2006 e nel 2007, il genetista evolutivo David Begun dell’Università della California, Davis, ha pubblicato quelli che molti considerano i primi articoli che dimostrano l’esistenza di particolari geni che nascono de novo nei moscerini della frutta4,5. Gli studi hanno collegato questi geni alla riproduzione maschile: Begun ha scoperto che erano espressi nei testicoli e nella ghiandola del liquido seminale, dove sembrava che la potente forza evolutiva della selezione sessuale stesse guidando la nascita dei geni.

Poco prima, la genomicista evolutiva Mar Albà dell’Hospital del Mar Medical Research Institute di Barcellona, Spagna, aveva dimostrato che più giovane è un gene, evolutivamente parlando, più velocemente tende ad evolversi6. Ha ipotizzato che questo potrebbe essere dovuto al fatto che le molecole codificate dai geni più giovani sono meno rifinite e hanno bisogno di una maggiore messa a punto, e che questo potrebbe essere una conseguenza del fatto che i geni sono sorti de novo – non erano legati a una funzione precedente così strettamente come quelli che si sono evoluti da geni più vecchi. Sia Albà che Begun ricordano che è stato impegnativo pubblicare i loro primi lavori sull’argomento. “C’era molto scetticismo”, dice Albà. “E’ incredibile come le cose siano cambiate”

Gli studi hanno anche iniziato a capire cosa fanno i geni de novo. Un gene permette alla pianta del crescione (Arabidopsis thaliana) di produrre amido, per esempio, e un altro aiuta le cellule di lievito a crescere. Capire cosa fanno per i loro ospiti dovrebbe aiutare a spiegare perché esistono – perché è vantaggioso creare da zero piuttosto che evolvere da materiale esistente. “Non riusciremo a capire perché questi geni si stanno evolvendo se non capiamo cosa stanno facendo”, dice Begun.

Geni in attesa

Studiare i geni de novo risulta essere in parte genetica, in parte esperimento del pensiero. “Perché il nostro campo è così difficile?” si chiede Anne-Ruxandra Carvunis dell’Università di Pittsburgh in Pennsylvania. “È a causa di questioni filosofiche”. Al centro c’è una domanda che Carvunis si è posta per un decennio: cos’è un gene?

Un gene è comunemente definito come una sequenza di DNA o RNA che codifica per una molecola funzionale. Il genoma del lievito, tuttavia, ha centinaia di migliaia di sequenze, note come open reading frame (ORF), che potrebbero teoricamente essere tradotte in proteine, ma che i genetisti hanno ritenuto troppo corte o troppo diverse da quelle degli organismi strettamente correlati per avere una probabile funzione.

Quando Carvunis ha studiato le ORF del lievito per il suo dottorato, ha iniziato a sospettare che non tutte queste sezioni fossero inattive. In uno studio7 pubblicato nel 2012, ha esaminato se queste ORF venivano trascritte in RNA e tradotte in proteine – e, proprio come i geni, molte di loro lo erano – anche se non era chiaro se le proteine erano utili al lievito, o se venivano tradotte a livelli abbastanza alti da servire una funzione. “Quindi cos’è un gene? Non lo so”, dice Carvunis. Quello che pensa di aver trovato, però, è “materiale grezzo – un serbatoio – per l’evoluzione”.

Alcuni di questi geni in attesa, o quello che Carvunis e i suoi colleghi hanno chiamato proto-geni, erano più simili ai geni di altri, con sequenze più lunghe e più delle istruzioni necessarie per trasformare il DNA in proteine. I proto-geni potrebbero fornire un fertile terreno di prova per l’evoluzione per convertire il materiale non codificante in veri geni. “È come un lancio beta”, suggerisce Aoife McLysaght, che lavora sull’evoluzione molecolare al Trinity College di Dublino.

Alcuni ricercatori sono andati oltre l’osservazione per manipolare gli organismi ad esprimere materiale non codificante. Michael Knopp e i suoi colleghi dell’Università di Uppsala, in Svezia, hanno dimostrato che l’inserimento e l’espressione di ORF generate a caso in Escherichia coli potrebbero migliorare la resistenza del batterio agli antibiotici, con una sequenza che produce un peptide che aumenta la resistenza di 48 volte8. Usando un approccio simile, Diethard Tautz e il suo team al Max Planck Institute for Evolutionary Biology di Plön, Germania, hanno dimostrato che la metà delle sequenze ha rallentato la crescita del batterio, e un quarto sembrava accelerarla9 – anche se questo risultato è discusso. Tali studi suggeriscono che i peptidi da sequenze casuali possono essere sorprendentemente funzionali.

Ma sequenze casuali di DNA potrebbero anche codificare peptidi che sono “reattivi e cattivi e hanno la tendenza ad aggregarsi e fare cose cattive”, dice il biologo evolutivo Joanna Masel dell’Università dell’Arizona a Tucson. Esprimere queste sequenze a bassi livelli potrebbe aiutare la selezione naturale ad eliminare le porzioni potenzialmente pericolose – quelle che creano proteine disordinate o mal ripiegate – in modo che ciò che rimane in una specie sia relativamente benigno.

Creare geni da regioni non codificanti potrebbe avere alcuni vantaggi rispetto ad altri metodi di creazione dei geni, dice Albà. La duplicazione dei geni è un “meccanismo molto conservativo”, dice, producendo proteine ben adattate tagliate dalla stessa stoffa dei loro antenati; i geni de novo, al contrario, è probabile che producano molecole marcatamente diverse. Questo potrebbe rendere difficile il loro inserimento in reti consolidate di geni e proteine – ma potrebbero anche essere più adatti a certi nuovi compiti.

Un gene appena coniato potrebbe aiutare un organismo a rispondere a un cambiamento nel suo ambiente, per esempio. Questo sembra essere stato il caso del merluzzo, che ha acquisito la sua proteina antigelo quando l’emisfero settentrionale si è raffreddato circa 15 milioni di anni fa.

Tasso di natalità

Per tracciare quali geni di un organismo sono stati creati de novo, i ricercatori hanno bisogno di sequenze complete per l’organismo e i suoi parenti stretti. Una pianta coltivata che si adatta al conto è il riso. Il caldo soffocante di Hainan, un’isola tropicale nel sud della Cina, è l’ambiente perfetto per la coltivazione, anche se le condizioni di lavoro possono essere difficili. “È orribile”, dice il genetista evolutivo Manyuan Long dell’Università di Chicago, Illinois. Fa così caldo che “puoi cuocere il tuo uovo nella sabbia”.

Il team di Long voleva sapere quanti geni erano emersi de novo nel ceppo Oryza sativa japonica, e quali proteine questi geni potrebbero fare. Così il team ha allineato il suo genoma con quelli dei suoi parenti stretti e ha usato un algoritmo per scegliere le regioni che contenevano un gene in alcune specie ma che ne erano prive in altre. Questo ha permesso ai ricercatori di identificare il DNA non codificante che ha portato al gene in questione, e tracciare il suo viaggio per diventare un gene. Potrebbero anche totalizzare il numero di geni de novo che è apparso nel ceppo: 175 geni in 3,4 milioni di anni di evoluzione10 (nello stesso periodo, il ceppo ha guadagnato 8 volte come molti geni da duplicazione).

Lo studio arriva a una delle maggiori preoccupazioni del campo: come dire se un gene è veramente de novo. Le risposte variano selvaggiamente, e gli approcci sono ancora in evoluzione. Per esempio, un primo studio ha trovato 15 geni de novo nell’intero ordine dei primati11; un tentativo successivo ne ha trovati 60 solo nell’uomo12. Un’opzione per trovare candidati geni de novo è quella di usare un algoritmo per cercare geni simili in specie affini. Se non si trova nulla, allora è possibile che il gene sia sorto de novo. Ma non riuscire a trovare un parente non significa che non ci sia nessun parente: il gene potrebbe essere stato perso lungo la strada, o potrebbe aver cambiato forma lontano dai suoi parenti. Lo studio sul riso ha aggirato questo problema identificando esplicitamente i pezzi di DNA non codificante che sono diventati geni de novo.

Su lunghe scale temporali evolutive – molto più lunghe dei pochi milioni di anni dell’evoluzione del riso – è difficile distinguere tra un gene de novo e uno che si è semplicemente discostato troppo dai suoi antenati per essere riconoscibile, quindi determinare il numero assoluto di geni che sono sorti de novo piuttosto che dalla duplicazione “è una domanda quasi senza risposta”, dice Tautz.

Per dimostrare quanto possano essere diversi i risultati dei diversi metodi, il genetista evolutivo Claudio Casola della Texas A&M University di College Station ha usato approcci alternativi per rianalizzare i risultati di studi precedenti, e non è riuscito a verificare il 40% dei geni de novo che avevano proposto13. Per Casola, questo indica la necessità di standardizzare i test. Attualmente, dice, “sembra essere molto incoerente”.

Il conteggio dei geni de novo nel genoma umano viene con la stessa scia di avvertimenti. Ma dove i geni de novo sono stati identificati, i ricercatori stanno iniziando a esplorare i loro ruoli nella salute e nella malattia. Zhang e i suoi colleghi hanno scoperto che un gene unico per gli esseri umani è espresso ad un livello maggiore nel cervello di persone con malattia di Alzheimer14, e il lavoro precedente15 aveva collegato alcune varianti del gene alla dipendenza da nicotina. Per Zhang, la ricerca che collega i geni de novo al cervello umano è allettante. “Sappiamo che ciò che ci rende umani è il nostro cervello”, dice, “quindi ci deve essere qualche kit genetico per spingere l’evoluzione del nostro cervello”. Questo suggerisce una strada per gli studi futuri. Zhang suggerisce che i ricercatori potrebbero indagare il kit genetico attraverso esperimenti con organoidi umani – cellule coltivate che servono come un organo modello.

I geni de novo potrebbero avere implicazioni per la comprensione del cancro, anche. Uno di questi geni – unico per gli esseri umani e gli scimpanzé – è stato collegato alla progressione del cancro in modelli murini di neuroblastoma16. E le versioni cancerogene del papillomavirus umano includono un gene che non è presente nelle forme non cancerogene17.

Molti geni de novo rimangono non caratterizzati, quindi la potenziale importanza del processo per la salute e la malattia non è chiara. Ci vorrà un po’ di tempo prima di capire fino a che punto contribuisce alla salute umana e fino a che punto contribuisce all’origine della specie umana”, dice Carvunis.

Anche se i geni de novo rimangono enigmatici, la loro esistenza rende chiara una cosa: l’evoluzione può facilmente creare qualcosa dal nulla. “Una delle bellezze del lavoro con i geni de novo”, dice Casola, “è che mostra quanto siano dinamici i genomi”.