Perdere geni e sopravvivere: quando meno è di più per l’evoluzione degli esseri viventi

Il paradosso inverso della biologia dello sviluppo evolutivo e il modello dell’Oikopleura dioica

[16 giugno 2016]

Oikopleura dioica 1

«La perdita non è altro che il cambiamento, e il cambiamento è una delizia della natura, dice la citazione del filosofo e imperatore Marco Aurelio che Ricard Albalat e Cristian Cañestro, scelto per aprire lo studio “Evolution by gene loss”, pubblicato su Nature Reviews Genetics, che esamina il fenomeno della perdita dei geni e il suo impatto sull’evoluzione degli esseri viventi e che è stato selezionato per “ Faculty of 1000 Prime”, una classifica internazionale che identifica e rivaluta i migliori articoli di biologia e medicina con la collaborazione di più di 10.000 ricercatori di tutto il mondo.

I due scienziati del Dipartimento di genetica, microbiologia e statistica e dell’Institut de Recerca de la Biodiversitat (IRBio) dell’Universitat de Barcelona, sottolineano che «Considerare la perdita di un gene come una forza evolutiva è un’idea controintuitiva, è più facile pensare che solo quando si ottiene qualcosa –  geni, in questo caso – possiamo evolverci». Ma il nuovo lavoro di questi due autori, che fanno parte del Grupo de Investigación Evolución y Desarrollo (EVO-DEVO) dell’università di Barcellona, «rafforza la visione della perdita genica come un processo con enorme potenziale di cambiamento genetico e adattamento evolutivo».

Cañestro spiega che «Un gene si perde quando viene fisicamente rimosso dal genoma (per ricombinazione illegittima, trasposizione, ecc) o quando è ancora nel genoma, ma non funziona a causa di una mutazione (modifiche puntiformi, inserzioni, delezioni, ecc). Il sequenziamento dei genomi di diversi organismi ha rivelato che la perdita di geni è stato un fenomeno frequente nell’evoluzione di tutte le forme di vita. In alcuni casi, è stato dimostrato che la perdita può essere una risposta adattativa allo stress dopo improvvisi cambiamenti ambientali. In altri casi in ci sono state  perdite geniche pur essendo di per sé neutre, hanno contribuito alla isolamento genetico e riproduttivo tra le popolazioni e, quindi, alla speciazione, o hanno partecipato alla differenziazione sessuale, contribuendo alla formazione di un nuovo cromosoma Y. Il fatto che i modelli di perdite geniche non siano stocastici, ma ci sia una polarizzazione nei geni persi (a seconda del tipo di funzione del gene o della sua posizione nel genoma in diversi gruppi di organismi ), rafforza l’importanza della perdita genica nell’evoluzione delle specie».

E’ convinzione diffusa che gli insetti abbiano una certa facilità a perdere i geni; ma il sequenziamento del genoma del coleottero Tribolium castaneum che presenta una scarsa perdita genica, ha costretto a riconsiderare questa idea. Anche all’interno del phylum dei cordati, tra i vertebrati, ci sono  differenze tra le specie, con casi particolari, come ad esempio l’organismo planctonico Oikopleura dioica, molto portato a  perdere geni. Albalat spiega a sua volta: «Abbiamo visto che la possibilità di perdere geni è associata allo forma di vita della specie. Per esempio, le specie parassite mostrano una maggiore tendenza a perdere geni; dato che sfruttano le risorse dell’ospite, molti dei loro geni diventano superflui e finiscono per perderli.  Per altre, invece, la possibilità di perdere geni è associata alla ridondanza funzionale. Le specie con molti geni ridondanti, come i vertebrati e molte specie di piante e lieviti che hanno duplicato il loro genoma, hanno anche subito molte perdite geniche nel corso della loro evoluzione. Curiosamente, le massicce perdite di geni non sono sempre legate a cambiamenti morfologici radicali a livello del corpo degli organismi  interessati. Il cordato  O. dioica , per esempio, nonostante la perdita di molti geni – alcuni essenziale per lo sviluppo embrionale e la progettazione a livello corporale del phylo – mantiene un piano corporeo tipico dei  cordati, con gli organi e le strutture (cuore, cervello, tiroide, ecc) che può essere considerato omologo a quelli dei vertebrati. Purtroppo, questa apparente contraddizione, abbiamo definito il paradosso inverso della biologia dello sviluppo evolutivo (EvoDevo), è ancora difficile da spiegare».

Quindi la perdita di un gene può diventare una condizione vantaggiosa e questo è stato confermato in esperimenti di laboratorio su batteri o lieviti e da studi sul popolazione di esseri umani. All’universitat de Barcelona  sottolineano che «Alcuni dei migliori casi di studio sugli esseri umani sono le perdite di geni che codificano per i recettori delle cellule (CCR5 e Duffy), che rendono gli individui più resistenti alle infezioni del virus dell’AIDS (HIV) e al plasmodio che causa la malaria. In natura, ci sono perdite di geni che sono stati favorevoli per gli organismi: le perdite sono state i cambiamenti di colore dei fiori che attirano nuovi impollinatori, le perdite hanno reso più resistenti al caldo gli insetti più in grado di colonizzare nuovi habitat, ecc.»

Cañestro  ricorda che «Alcuni studi suggeriscono anche che la perdita di alcuni geni sia stata determinante per l’origine della specie umana. Lo scimpanzé e l’uomo condividono oltre il 98% del loro genoma un fatto che ha sempre suscitato curiosità e, in questo contesto, si è tentati di ipotizzare che potrebbe essere necessario cercare le differenze, non nei geni che condividiamo, ma in quelli che abbiamo perso in modo diverso durante l’evoluzione degli esseri umani e degli altri primati. Per esempio, si ritiene che le perdite gene  abbiano portato alla riduzione della muscolatura mandibolare, permettendo la crescita del volume del cranio nell’uomo o che le perdite di geni siano state importanti nel miglioramento del nostro sistema di difesa contro malattie».

Ma quanti geni può perdere un essere vivente? I ricercatori rispondono che un organismo può perdere un gene solo se è superfluo e quindi la sua perdita non è uno svantaggio per l’individuo. Cosa rende un gene è superfluo? «Un gene diventa superfluo quando il corpo ha la capacità di funzionare alternativamente (ridondanza funzionale), o quando il gene non è più necessario in quanto il corpo ha perso la struttura o il requisito fisiologico al quali partecipava il gene (evoluzione regressiva). Pertanto, le variazioni nella forma di vita delle specie possono portare alla prescindibilità di alcuni geni, come è stato scoperto, per esempio, con la perdita di geni associati alla pigmentazione e  alla vista in specie che hanno adottato forme di vita cavernicola».

Non si tratta solo di teoria scientifica: «Scoprire  quanti geni può perdere un organismo e come li perde è fondamentale per comprendere quanti geni umani sono indispensabili e perché alcune mutazioni sono irrilevanti e altre sono drammatiche per la nostra salute – dicono i ricercatori catalani –  Infatti, il recente sequenziamento del genoma di individui di diverse popolazioni di tutto il mondo ha rivelato che ogni persona sana ha in media 20 geni che non funzionano e, a quanto pare, questo non sembra provocare conseguenze negative». Albalat aggiunge: «E’ probabile che dobbiamo i geni non necessari alla presenza di geni ridondanti o alle condizioni ambientali in cui viviamo attualmente. Indagare sulle differenze di perdite geniche tra le diverse popolazioni umane ha permesso, ad esempio, di scoprire la perdita del gene della lipoproteina, che conferisce resistenza a malattie cardiache, nelle popolazioni finlandesi sottoposti a diete ricche di grassi. Questo approccio sperimentale che mette in relazione  i geni con le patologie, chiamata prima  genotipizzazione (genotype first), apre la porta alla scoperta di geni che, quando vengono persi, danno un vantaggio di fronte a determinati fattori di stress ambientali (dieta, clima, agenti patogeni, tossine, ecc) e, quindi, potrebbe aiutare a identificare nuovi geni con un potenziale interesse terapeutico».

La minuscola Oikopleura dioica  potrebbe svolgere un grosso ruolo in tutto questo.  I ricercatori evidenziano che «Rafforzare la ricerca di base con organismi modello – batteri, topi, lievito, piante, pesci zebra,  Drosophila e Caenorhabditis elegans – è stato fondamentale per favorire il progresso nel campo della biomedicina e della sanità». Per gli scienziati, «una delle sfide del XXI secolo è quella di sviluppare modelli animali alternativi ai modelli classici che permettano di applicare tecnologie di sequenziamento di massa o di modificazione genetica sistematica per aprire nuove prospettive nell’ambito della ricerca di base. Solo generando la conoscenza di base è possibile far avanzare il benessere della società».

Attualmente, il grupo Evo-Devo-Genomics dell’università di Barcellona è uno dei pochi gruppi di ricerca al  mondo che studia il modello di O. dioica dal punto di vista della biologia evolutiva dello sviluppo. E’ ‘anche l’unico gruppo di tutta la Spagna che ha realizzato per questo un’infrastruttura scientifica e nel mondo ce ne sono solo altri due: uno a Bergen (Norvegia) e una a Osaka (Giappone). Questi tre centri sono considerati i punti di riferimento a livello internazionale, in grado di per sviluppare e studiare questo nuovo organismo modello.

Oikopleura dioica  è un piccolo animale, con un ciclo di vita breve, molto prolifico e facile da mantenere in laboratorio, condizioni che la rendono un ottimo modello animale. Il suo genoma è già stato completamente sequenziato, è estremamente compatto – tre volte più piccolo di quello del moscerino Drosophila – e ha perso molti geni.  I ricercatori dell’università di Barcellona vedono O. dioica come mutante evolutivo che ha perso molti geni importanti per lo sviluppo embrionale. Il gruppo Evo-Devo-Genomics lavora su due linee di ricerca: da un lato, utilizza O. dioica per indagare l’effetto dei composti tossici  sullo sviluppo e la riproduzione degli animali marini, nonché il loro impatto sulla catena alimentare degli oceani. Dall’altra lato,  utilizza O. dioica per studiare come le perdite di geni abbiano influenzato i meccanismi dello sviluppo del cuore.

Albalat e Cañestro concludono: «Ci aspettiamo che questi studi identifichino il set minimo di geni essenziali per sviluppare un cuore, il che potrebbe aiutare a comprendere meglio le basi genetiche di alcune cardiomiopatie e a scoprire nuovi geni per migliorare la diagnosi».