Genomica di popolazioni umane ed animali

Responsabili: Proff. Alessandro Achilli, Luca Ferretti, Anna Olivieri, Ornella Semino, Antonio Torroni

Collaboratori: Vincenza Battaglia (assegnista), Paola Bergamaschi (dottoranda), Barbara Bertoglio (dottoranda), Stefania Brandini (dottoranda), Marco Rosario Capodiferro (dottorando), Viola Grugni (assegnista), Ugo Perego (visiting scientist), Alessandro Raveane (dottorando)

SOMMARIO

strategico migrazione

Uno degli obiettivi principali del gruppo di ricerca è quello di contribuire ad una ricostruzione della storia evolutiva e delle migrazioni delle popolazioni umane (a livello micro e macro-geografico) e di alcuni animali (in particolare animali domestici o che vivono a stretto contatto con la nostra specie) basata su dati genetici e genomici, spendibile anche in diversi ambiti scientifici e culturali, da quello forense a quello storico, archeologico, linguistico, antropologico, didattico e di salute pubblica.

I sistemi genetici analizzati sono sia gli autosomi che il DNA mitocondriale (mtDNA) e la porzione maschio-specifica del cromosoma Y (MSY), che essendo a trasmissione uniparentale, non sono rimescolati dalla ricombinazione e costituiscono un archivio molecolare della storia e delle migrazioni delle femmine e dei maschi che, rispettivamente, li hanno trasmessi alle generazioni successive. Alcuni dei nostri studi hanno implicazioni importanti anche per la comprensione dello sviluppo e della progressione di alcune patologie, dei processi di invecchiamento e delle prestazione atletiche.

Linee di ricerca principali:

1) Origine delle popolazioni Europee e dell'area Mediterranea

La storia genetica e demografica dell'Europa e delle aree geografiche circostanti è molto complessa. Lo scopo di questa linea di ricerca è quello di indagare, attraverso l’analisi di genomi moderni e di DNA antico, quali aspetti dell’attuale variabilità delle popolazioni Europee possano essere fatti risalire alla prima colonizzazione del continente da parte dell'Uomo moderno, a espansioni post-glaciali, alla diffusione neolitica e/o a eventi più recenti di flusso genetico. Nel corso degli anni i nostri studi nell'ambito di questa tematica sono stati molto produttivi e hanno utilizzato come strumento principale di indagine i due sistemi genetici non-ricombinanti (mtDNA e MSY), che ora stiamo integrando con analisi genome-wide.

Pubblicazioni recenti:
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27003890
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26434580
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24667786
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24346185
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24104924
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23936216
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23785503
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23483890
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22815981
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22588667
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22560092
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22482806
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22454235
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22442672
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22426219
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21970613
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21674295
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20531471
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20178764

Collaborazioni: Prof. Fulvio Cruciani (Univ. La Sapienza, Roma); Dr. Martin Bodner, Prof. Walther Parson (Innsbruck Medical Univ., Austria); Dr. Francesca Gandini, Prof. Maria Pala, Prof. Martin B. Richards (Univ. of Huddersfield, UK); Prof. Vincent Macaulay (Univ. of Glasgow, UK); Prof. Andrea Novelletto (Univ. Tor Vergata, Roma); Prof. Antonio Salas (Univ. of Santiago de Compostela, Spagna); Prof. Richard Villems (Estonian Biocentre, Tartu, Estonia).

2) Origine genetica delle popolazioni Italiane

L'Italia è un paese che nonostante la ridotta superficie, per ragioni geografiche, climatiche e storiche ha occupato per millenni un ruolo centrale nei flussi genici fra le antiche popolazioni. Obiettivo di questa linea di ricerca è quello di contribuire alla ricostruzione della storia genetica in tempi preistorici e storici dei primi abitanti dell'Italia, ad un elevato livello di risoluzione, su un numero di campioni molto esteso (in grado di coprire tutte le regioni d'Italia). A tal fine, si stanno conducendo analisi genome-wide combinando la ricerca di SNP rari e comuni con l'analisi di sequenza dei due sistemi genetici non-ricombinanti (MSY e mtDNA).

Pubblicazioni recenti:
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/25635682
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22713810
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17357081

Collaborazioni: Prof. Andrea Angius (Istituto di Ricerca Genetica e Biomedica - CNR, Cagliari); Prof. Cristian Capelli (Univ. of Oxford, UK); Prof. David Caramelli (Univ. di Firenze); Prof. Cristina Cattaneo (Univ. di Milano); Dr. Hovirag Lancioni, Dr. Irene Cardinali (Univ. di Perugia); Prof. Carlo Previderè (Dip. di Medicina Legale, Univ. di Pavia); Prof. Mait Metspalu (Estonian Biocentre, Tartu, Estonia).

Collaborazioni: Prof. Andrea Angius (Istituto di Ricerca Genetica e Biomedica - CNR, Cagliari); Prof. Cristian Capelli (Univ. of Oxford, UK); Prof. David Caramelli (Univ. di Firenze); Prof. Cristina Cattaneo (Univ. di Milano); Dr. Hovirag Lancioni (Univ. di Perugia); Prof. Carlo Previdere (Dip. di Medicina Legale, Univ. di Pavia); Prof. Mait Metspalu (Estonian Biocentre, Tartu, Estonia).

3) Il popolamento umano della Sardegna

La popolazione della Sardegna è un "outlier genetico" nel contesto Europeo. Le prime tracce della presenza di uomini moderni in Sardegna sembrano risalire a circa 13.000 anni fa (Paleolitico superiore). Tratti genetici distintivi dei Sardi sono stati messi in evidenza con tutti i sistemi genetici e sono attribuiti ad una combinazioni di effetti del fondatore, isolamento geografico e selezione. Recentemente dati di paleogenomica basati su marcatori nucleari hanno suggerito che la popolazione moderna della Sardegna possa essere, tra tutte quelle del continente, la più vicina geneticamente ai primi agricoltori neolitici Europei. Questo scenario sembra tuttavia in contrasto con una serie di dati forniti dall'analisi dei sistemi genetici uniparentali. Su questo stiamo indagando utilizzando anche DNA antico.

Pubblicazioni recenti:

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19500771

Collaborazioni: Prof. Andrea Angius, Prof. Francesco Cucca, Dr. Carlo Sidore (Istituto di Ricerca Genetica e Biomedica - CNR, Cagliari); Prof. Johannes Krause (Max Planck Institute for the Science of Human History, Germania).

4) Il popolamento delle Americhe: una prospettiva genetica

La colonizzazione del Nuovo Mondo rappresenta uno degli argomenti antropologici più interessanti. Mentre si è raggiunto un accordo dal punto di vista archeologico, linguistico e genetico-molecolare sull'origine asiatica dei Nativi Americani, i tempi di arrivo dei primi colonizzatori, il numero di espansioni/migrazioni coinvolte nel processo e nelle successive colonizzazioni del Centro e Sud America, così come le conseguenze genetiche della formazione delle grandi civiltà mesoamericane e dell'area andina, sono state, e sono ancora, oggetto di discussione. Per chiarire questi aspetti, si stanno conducendo analisi di sequenza dei due sistemi genetici non-ricombinanti (MSY e mtDNA), a livello micro e macrogeografico, in numerose popolazioni moderne, ma anche su resti scheletrici antichi. Queste studi sono accompagnati in alcuni contesti popolazionistici da analisi genome-wide a livello nucleare.

Pubblicazioni recenti:
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23990949
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23940335
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23240014
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22333566
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22024980
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20587512
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19135370
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/18335039

Collaborazioni: Dr. Martin Bodner, Prof. Walther Parson (Innsbruck Medical Univ., Austria); Prof. Richard Cooke (Smithsonian Tropical Research Institute, Panama); Prof.. Ripan Malhi (Univ. of Illinois at Urbana-Champaign, US); Dr. Jorge A. Motta (Secretario Nacional de Ciencia y Tecnología e Innovación, Panama); Dr. Juan Miguel Pascale (Instituto Conmemorativo Gorgas de Estudios de la Salud, Panama); Dr. Ugo A. Perego (Genetic Genealogy Consultant, US).

5) Analisi comparativa di documenti storico-culturali e dati genetici: conquista, commercio, crisi e cultura nell'Istmo di Panama durante la dominazione spagnola (1513-1671) (ERC CoG 648535 - ArtEmpire)

Lo stretto Istmo di Panama ha rappresentato un nodo strategico dell'impero spagnolo e un sito fondamentale per l'inizio della globalizzazione moderna, come punto di convergenza di quattro continenti. Questo progetto combina l’analisi di documenti storici con metodiche archeologiche e archeogenetiche per evidenziare le conseguenze culturali e biologiche dell’incontro che ha avuto luogo nell’Istmo di Panama nel corso dei secoli XVI e XVII tra popoli e merci provenienti da Europa, America, Africa e Asia.

Pubblicazioni recenti:
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26636572
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22675545

Collaborazioni: Dr. Bethany Arhan (Universidad Pablo de Olavide, Spagna); Dr. Corina Knipper(Curt-Engelhorn-Zentrum Archäometrie, Mannheim, Germany); Dr. Juan Martin, Dr. Javier Rivera (Universidad del Norte, Colombia).

6) Identificazione di nuove mutazioni patologiche dell'mtDNA e ruolo dei background mitocondriali (aplogruppi) nell'espressione di malattie/fenotipi

La produzione di ATP mitocondriale mediante la fosforilazione ossidativa è essenziale per il mantenimento delle normali funzioni di organi e tessuti e mutazioni dell'mtDNA, interferendo con la sintesi di ATP, possono causare serie patologie a trasmissione materna. La ricerca di nuove mutazioni patogenetiche dell'mtDNA viene condotta in collaborazione, principalmente sulla Neuropatia Ottica di Leber (LHON). In anni recenti, un ruolo importante della variazione di sequenza "neutrale" dell'mtDNA è stato postulato anche per numerose patologie complesse e per altri fenotipi (invecchiamento, performance atletica). Per valutare anche questi aspetti, sequenziamo mitogenomi completi da numerose popolazioni umane in modo da creare un database che includa ogni aplogruppo e sottoaplogruppo mitocondriale presente nella nostra specie.

Pubblicazioni recenti:
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24884847
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24863938
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23246842
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22879922
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21695278

Collaborazioni: Prof. Valerio Carelli (Univ. di Bologna); Dr. Cristina Cereda (IRCCS Istituto Neurologico Nazionale C. Mondino, Pavia); Prof. Alessandra Montecucco (Istituto di Genetica Molecolare - CNR, Pavia).

7) Genetica del gusto

Questa linea di ricerca è svolta in collaborazione con il gruppo della Prof.ssa Guglielmina Nadia Ranzani, vedi punto 3) della tematica "Basi molecolari delle patologie umane"

La capacità di percepire i sapori è geneticamente determinata e la percezione dei sapori è il principale fattore a guidare la scelta dei cibi, causandone accettazione o rifiuto. D’altra parte, la scelta dei cibi è un fattore fondamentale in grado di modulare il rischio di patologie comuni, quali obesità, diabete, sindrome metabolica, ma anche di malattie cardiovascolari e cancro. Scopo del nostro lavoro è quello di correlare le varianti dei geni coinvolti nella percezione dei sapori e quindi nelle scelte alimentari con dieta e stato di salute, in particolare con i tumori dell’apparato digerente.

Collaboratori: Prof. Guglielmina Nadia Ranzani, DBB Università di Pavia)

8) Origine e diffusione della zanzara tigre (Aedes albopictus)

Negli ultimi 40 anni, la zanzara tigre Aedes albopictus, originaria dell'Asia orientale, ha colonizzato ogni continente, tranne l'Antartico. La sua diffusione ha implicazioni sanitarie importanti dato che questa specie è competente per numerosi arbovirus compresi quelli che causano la febbre del Nilo, la febbre gialla, l'encefalite di St. Louis, dengue, e l'emergente febbre Zika. Lo studio prevede la determinazione e l'analisi della variabilità del genoma mitocondriale di campioni provenienti da numerose popolazioni dell'Asia, Europa e delle Americhe. L'obiettivo è quello di identificare le fonti asiatiche ancestrali da cui derivano le popolazioni avventizie e gli eventuali vantaggi selettivi presenti e di definire rotte e tempi delle espansioni.

Collaborazioni: Dr. Paolo Gabrieli, Prof. Giuliano Gasperi, Prof. Ludvik Gomulski, Prof. Anna Malacrida (Dip. di Biologia e Biotecnologie, Univ. di Pavia).

9) Modi e tempi di domesticazione di alcuni mammiferi (Bos taurus, Bubalus bubalis, Ovis aeries, Capra hircus, Equus caballus)

I nostri primi studi filogeografici sull'intero mitogenoma di bovini, equini, caprini e ovini hanno fornito nuove informazioni sui processi di domesticazione. La maggior parte delle specie domestiche hanno subito un unico evento di domesticazione avvenuto nel periodo neolitico (circa 10 mila anni fa) nell’area della Mezzaluna Fertile. Al contrario, i numerosi aplogruppi riscontrati nelle razze equine moderne indicano che la domesticazione del cavallo, pur essendo avvenuta anch’essa in tempi neolitici, abbia interessato un maggior numero di popolazioni selvatiche localizzate in molteplici aree geografiche di tutta l’Eurasia. Attualmente stiamo cercando di estendere l’analisi anche al genoma nucleare (in particolare al cromosoma Y) andando nel contempo ad analizzare in dettaglio l’origine e l’evoluzione delle principali razze domestiche locali (soprattutto in Italia) per ricavare maggiori informazioni sulla storia delle popolazioni umane ed evidenziare possibili storie genetiche parallele uomo-animale.

Pubblicazioni recenti:
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27054850
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26868928
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26714643
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26513361
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24040036
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22685589
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22497446
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22308342
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21209945
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19484124
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/18302915

Collaborazioni: Dr. Hovirag Lancioni, Dr. Irene Cardinali, Dr. Emiliano Lasagna, Prof. Francesca Maria Sarti, Dr. Katia Cappelli, Prof. Maurizio Silvestrelli e Prof. Emidio Albertini (Univ. di Perugia); Dr. Licia Colli e Prof. Paolo Ajmone Marsan (Univ. Cattolica del S. Cuore, Piacenza).

10) Origine genetica di mammiferi selvatici italiani (Sus scrofa)

Lo stesso approccio filogeografico utilizzato per analizzare le specie domestiche viene ora applicato anche per studiare la variabilità di alcune specie selvatiche molto vicine all’Uomo. In particolare tutti i cinghiali europei appartengono ad un solo aplogruppo, denominato D1, mentre quelli italiani sono gli unici che oltre al D1 presentano anche il D4. Un’analisi filogeografica basata sulle informazioni di interi mitogenomi servirà a chiarire origine e diffusione di questo aplogruppo “italiano”.

 Collaborazioni: Dr. Hovirag Lancioni, Dr. Francesca Vercillo (Univ. di Perugia); Dr. Massimo Scandura (Univ. di Sassari).