Babbo neanderthal e mamma sapiens?

Un lavoro pubblicato su Science propone che gli incroci tra Neanderthal e Homo sapiens abbiano avuto una direzione prevalente: maschi neanderthaliani con femmine appartenenti alla nostra specie. L’ipotesi nasce dall’analisi comparativa dei cromosomi sessuali nei genomi di entrambe le popolazioni. Il risultato è stato rapidamente rilanciato perché sembra far intravedere, dentro sequenze di DNA, un frammento della vita sociale di popolazioni vissute decine di migliaia di anni fa. Per capire che cosa i dati permettono davvero di stabilire, occorre però ricostruire con attenzione il percorso che conduce a questa interpretazione.

Quando due popolazioni geneticamente distinte si incrociano e producono discendenza fertile, frammenti del patrimonio genetico di una popolazione possono entrare stabilmente nel patrimonio genetico dell’altra. Questo processo è chiamato introgressione. Nel caso degli esseri umani moderni, la presenza di introgressione neanderthaliana è ormai ben documentata: le popolazioni eurasiatiche attuali possiedono in media circa l’1–2% del loro genoma derivato dai Neanderthal.

Questi frammenti di DNA non sono distribuiti uniformemente lungo il genoma umano. Alcune regioni conservano numerosi segmenti di origine neanderthaliana, mentre altre ne risultano quasi completamente prive. Già nei primi studi sistematici sull’argomento comparivano ampie regioni in cui il contributo genetico dei Neanderthal è estremamente raro. Si tratta di aree che possono estendersi per milioni di basi del DNA.

Uno dei risultati più solidi emersi da queste analisi riguarda il cromosoma X. Gli esseri umani possiedono ventitré coppie di cromosomi. Ventidue di queste coppie sono autosomi, cioè cromosomi non coinvolti nella determinazione del sesso. La ventitreesima coppia è costituita dai cromosomi sessuali. Le femmine possiedono due cromosomi X, mentre i maschi ne possiedono uno X e uno Y.

Nel 2014 Sankararaman e collaboratori pubblicarono su Nature una mappa dettagliata dell’ascendenza neanderthaliana nel genoma umano moderno. Il risultato più evidente di questo lavoro fu la marcata riduzione del DNA neanderthaliano nel cromosoma X rispetto agli autosomi. In media, l’ascendenza neanderthaliana sull’X risultava circa cinque volte inferiore rispetto a quella osservata sugli altri cromosomi.

Gli autori verificarono che questa differenza non dipendeva da limiti tecnici nell’identificazione dei segmenti di origine neanderthaliana. Il segnale osservato riflette quindi un fenomeno biologico reale.

Lo stesso lavoro conteneva un’osservazione che riveste un peso particolare nella discussione. Le regioni del genoma umano prive di DNA neanderthaliano risultavano arricchite di geni espressi nei testicoli, cioè geni coinvolti nei processi che portano alla produzione degli spermatozoi e alla fertilità maschile. L’associazione statistica individuata indicava che molte di queste regioni riguardavano le funzioni riproduttive maschili.

Questo risultato suggerisce un meccanismo biologico preciso. Quando individui appartenenti a popolazioni geneticamente divergenti producono discendenza, alcune combinazioni genetiche possono interferire con processi fondamentali dello sviluppo o della riproduzione. Nei mammiferi questi effetti tendono a manifestarsi con maggiore frequenza nel sesso che possiede cromosomi sessuali diversi. Nei mammiferi, il sesso con cromosomi sessuali diversi è il maschile, che possiede un cromosoma X e un cromosoma Y.

Il cromosoma X è presente nei maschi in una sola copia. Se una variante incompatibile si trova su questo cromosoma, il suo effetto si manifesta direttamente perché non esiste una seconda copia in grado di compensarla. Nelle femmine, che possiedono due cromosomi X, la presenza di una seconda copia può attenuare l’effetto di varianti sfavorevoli.

Questa caratteristica rende il cromosoma X particolarmente sensibile all’azione della selezione naturale negli individui derivanti dall’incrocio tra popolazioni diverse. In genetica evolutiva è frequente osservare che le incompatibilità legate alla fertilità maschile si concentrino proprio su questo cromosoma. La distribuzione osservata nel genoma umano moderno, con una forte riduzione del DNA neanderthaliano sul cromosoma X e nelle regioni che contengono geni coinvolti nella fertilità maschile, si inserisce quindi in un quadro teorico coerente.

Diversi lavori successivi hanno cercato di quantificare l’intensità della selezione naturale che opera su queste varianti. Nel 2016 Juric, Aeschbacher e Coop svilupparono un modello matematico che descrive l’evoluzione nel tempo delle varianti genetiche neanderthaliane nel genoma umano moderno. I risultati indicavano che molte di queste varianti avevano probabilmente effetti leggermente negativi sulla capacità di sopravvivere o di riprodursi. Anche effetti selettivi molto piccoli, distribuiti su numerosi siti del genoma e ripetuti per migliaia di generazioni, possono ridurre progressivamente la frequenza di queste varianti nella popolazione.

Nello stesso anno Harris e Nielsen proposero un’interpretazione complementare basata sulla storia demografica dei Neanderthal. Le popolazioni neanderthaliane vissero per lunghi periodi in gruppi relativamente piccoli e isolati. In popolazioni di dimensioni ridotte, la selezione naturale elimina con minore efficienza le mutazioni lievemente dannose, che possono accumularsi nel genoma per semplice deriva genetica. Quando tali varianti entrano in una popolazione molto più numerosa, come quella degli esseri umani moderni in espansione, la selezione diventa più efficace e tende a eliminarle nel corso delle generazioni.

Nel complesso questi processi producono un paesaggio genomico irregolare: alcune regioni conservano frammenti di origine neanderthaliana, mentre altre ne risultano quasi completamente prive. Il cromosoma X è uno dei luoghi in cui questa eliminazione selettiva appare più evidente.

Il lavoro recente pubblicato su Science introduce però un ulteriore elemento nell’analisi. Gli autori non si limitano a studiare la distribuzione del DNA neanderthaliano negli esseri umani moderni. Analizzano anche genomi neanderthaliani sequenziati negli ultimi anni e cercano tracce di DNA di Homo sapiens.

Il risultato riportato è che, nei Neanderthal esaminati, il cromosoma X contiene una quantità relativamente maggiore di DNA attribuibile alla nostra specie rispetto agli autosomi. In termini quantitativi, l’ascendenza sapiens sul cromosoma X dei Neanderthal è circa il 62% più elevata rispetto a quella osservata sugli autosomi.

Questa asimmetria costituisce il punto di partenza dell’interpretazione proposta dagli autori. Se negli esseri umani moderni il cromosoma X contiene poco DNA neanderthaliano mentre nei Neanderthal il cromosoma X contiene relativamente più DNA sapiens, una possibile spiegazione è che gli accoppiamenti siano avvenuti più spesso tra maschi neanderthaliani e femmine sapiens. Un incrocio di questo tipo introduce infatti cromosomi X di origine sapiens nelle popolazioni neanderthaliane e, al tempo stesso, produce combinazioni genetiche negli esseri umani moderni in cui l’X neanderthaliano può essere sottoposto a selezione.

La proposta degli autori riguarda quindi una forma di selezione sessuale, ossia un’asimmetria nei comportamenti di accoppiamento tra le due popolazioni.

Tuttavia, il segnale osservato nei cromosomi sessuali può essere prodotto anche da altri meccanismi biologici già documentati nella genetica delle popolazioni e nella biologia dell’ibridazione.

Il primo riguarda la selezione naturale sugli individui ibridi. I lavori precedenti avevano mostrato che le regioni del genoma umano prive di DNA neanderthaliano risultano arricchite di geni espressi nei testicoli, ossia coinvolti nella fertilità maschile. Quando individui appartenenti a popolazioni geneticamente divergenti producono discendenza, alcune combinazioni genetiche possono interferire con la formazione degli spermatozoi o con altri passaggi della riproduzione. In questi casi la selezione naturale elimina progressivamente le varianti incompatibili.

Il cromosoma X è particolarmente esposto a questo tipo di selezione per una ragione semplice. Nei maschi esiste una sola copia di questo cromosoma. Se una variante incompatibile si trova su X, il suo effetto si manifesta direttamente perché non esiste una seconda copia in grado di compensarla. Questo rende il cromosoma X uno dei luoghi in cui la selezione naturale può agire con maggiore efficacia contro varianti che riducono la fertilità maschile negli individui ibridi.

Un secondo fattore riguarda l’asimmetria delle incompatibilità genetiche. Le incompatibilità tra due genomi non devono necessariamente essere reciproche. È possibile che alcune combinazioni genetiche funzionino male quando un cromosoma X neanderthaliano si trova nel contesto genetico di Homo sapiens, mentre la combinazione opposta produca effetti meno gravi. In questo scenario la selezione naturale eliminerebbe con maggiore efficienza i segmenti neanderthaliani dal cromosoma X umano, mentre frammenti sapiens potrebbero sopravvivere più facilmente nei genomi neanderthaliani.

Un terzo fattore riguarda la storia demografica delle popolazioni coinvolte. Le ricostruzioni genetiche indicano che i Neanderthal vissero per lunghi periodi in gruppi relativamente piccoli e isolati. In popolazioni di dimensioni ridotte, la selezione naturale elimina con minore efficienza le mutazioni leggermente dannose, che possono accumularsi nel genoma. Quando segmenti genetici provenienti da Homo sapiens entrano in una popolazione neanderthaliana, la loro frequenza può essere influenzata non solo dalla selezione, ma anche dalla deriva genetica, ossia dalle fluttuazioni casuali nelle frequenze delle varianti genetiche che si verificano nelle popolazioni piccole.

Un quarto elemento riguarda la differenza numerica tra le popolazioni. Le popolazioni di Homo sapiens che si espandevano in Eurasia erano probabilmente molto più numerose di quelle neanderthaliane. Quando avvengono incroci tra popolazioni di dimensioni molto diverse, il flusso genetico può produrre effetti asimmetrici anche in assenza di una direzione preferenziale negli accoppiamenti.

Un quinto fattore riguarda la distribuzione dei geni coinvolti nella fertilità maschile lungo il genoma. Se una parte significativa di questi geni si trova sul cromosoma X, la selezione contro combinazioni genetiche incompatibili può ridurre in modo particolarmente marcato l’introgressione proprio in questo cromosoma, producendo uno squilibrio tra i cromosomi sessuali e gli autosomi senza richiedere una spiegazione comportamentale.

Tutti questi processi agiscono a livello genetico e demografico e possono lasciare tracce nel genoma delle popolazioni, anche agendo in modo combinato. Il risultato osservato nel nuovo lavoro si inserisce quindi in un quadro più ampio, in cui diversi fattori possono contribuire alla distribuzione finale dei frammenti di DNA introgressati.

L’ipotesi proposta dagli autori attribuisce questo segnale principalmente a una direzione prevalente negli accoppiamenti tra Neanderthal e Homo sapiens, ossia a una forma di selezione sessuale. Le analisi precedenti della distribuzione del DNA neanderthaliano nel genoma umano avevano invece evidenziato soprattutto l’azione della selezione naturale sugli individui ibridi, in particolare sui geni coinvolti nella fertilità maschile.

Il nuovo risultato arricchisce quindi il quadro, ma non elimina automaticamente le spiegazioni alternative. Il genoma conserva tracce estremamente precise della storia evolutiva delle popolazioni, ma la ricostruzione dei comportamenti sociali che hanno prodotto queste tracce richiede sempre di distinguere con attenzione tra ciò che i dati mostrano direttamente e le interpretazioni che da quei dati vengono proposte.

Anche quando sono meno interessanti per i titolisti, di Nature quanto dei quotidiani di mezzo mondo.