Introduzione
Appollaiata su una foglia nella foresta pluviale, la minuscola rana mantella dorata nasconde un segreto. Condivide questo segreto con la rana dalla lingua biforcuta, la rana di canna e una miriade di altre rane che vivono sulle colline e nelle foreste dell'isola-stato del Madagascar, così come con i boa e altri serpenti che le predano. Su quest'isola, dove molte delle specie animali non si trovano da nessun'altra parte, i genetisti hanno recentemente fatto una scoperta sorprendente: nel genoma delle rane è sparso un gene, BovB, che apparentemente proveniva dai serpenti.
Dopo aver analizzato attentamente i genomi di specie di rane e serpenti in tutto il mondo, gli scienziati hanno riferito in aprile un documento in Biologia molecolare ed evoluzione che questo gene in qualche modo ha viaggiato dai serpenti alle rane almeno 50 volte in tutto il pianeta. Ma in Madagascar si è inserito nelle rane con sorprendente promiscuità: il 91% delle specie di rane campionate ce l’hanno. Qualcosa sembra rendere il Madagascar un luogo eccezionalmente favorevole alla mobilità del gene.
Quando Atsushi Kurabayashi, professore associato presso il Nagahama Institute of Bio-Science and Technology e autore senior del nuovo articolo, ha visto per la prima volta la versione serpente del gene nelle rane ed è rimasto perplesso. Ha chiesto informazioni a un collega specializzato in genomica e il collega ha subito gridato: "Deve essere un trasferimento orizzontale!" — il trasferimento di un gene da una specie all'altra, in contrasto con l'eredità verticale dei geni da parte di un bambino da un genitore.
Questo sfogo ha portato Kurabayashi sulle tracce di un fenomeno un tempo ritenuto estremamente raro, anche se l’avvento di un migliore sequenziamento genomico ha spinto i biologi a rivalutare tale opinione. E questo nuovo studio, che dimostra che il trasferimento orizzontale di geni può essere più probabile in alcuni luoghi rispetto ad altri, complica ancora di più la storia. Ciò suggerisce che, quando cercano spiegazioni per i trasferimenti orizzontali, i ricercatori potrebbero dover guardare oltre i semplici meccanismi genetici e guardare ai contesti ecologici in cui vivono le specie. I genomici stanno ancora lottando per capire quanto siano comuni o rari i trasferimenti orizzontali negli organismi complessi, ma alcuni luoghi, come il Madagascar, potrebbero essere punti caldi per loro.
Introduzione
Quando i geni vagano
Il trasferimento orizzontale è comune nei batteri. I brulicanti organismi unicellulari che popolano quasi ogni angolo del pianeta raccolgono i geni dal loro ambiente con la stessa facilità con cui una spazzola per lanugine raccoglie i peli di gatto. Questo è uno dei motivi per cui la resistenza batterica agli antibiotici è diffusa: i geni protettivi vengono trasmessi facilmente e la selezione naturale garantisce che i batteri resistenti superino i loro vicini e trasmettano i loro geni alla generazione successiva. I batteri si scambiano i geni così facilmente che alcuni scienziati hanno addirittura proposto che si formino batteri una rete di vita correlata piuttosto che un albero genealogico ramificato.
Le cellule degli organismi eucarioti come gli esseri umani, le rane e i serpenti, tuttavia, sono diverse. Il nucleo cellulare di solito sembra una fortezza per proteggere il genoma. Il DNA viene accuratamente avvolto e conservato nella biblioteca di quella cittadella, con gli enzimi che richiamano solo i geni che devono esaminare in un dato momento. La cellula è dotata di dispositivi di sicurezza per prevenire danni al suo DNA e riparare l'usura. Se il genoma è come un manoscritto miniato di inestimabile valore, i suoi bibliotecari portano le spade.
Tuttavia, esempi di trasferimenti genetici orizzontali che coinvolgono gli eucarioti continuano ad arrivare nella letteratura scientifica. Le aringhe e gli sperlani, pesci non imparentati che nuotano nelle acque ghiacciate dell'Artico, del Pacifico settentrionale e dell'Atlantico settentrionale, hanno esattamente lo stesso gene per una proteina che impedisce al sangue di congelarsi; probabilmente è passato dalle aringhe agli sperlani. Laura Graham, biologa molecolare della Queen’s University in Canada, e i suoi colleghi lo hanno riferito l’anno scorso; le loro scoperte erano così controintuitive che Graham ebbe difficoltà a pubblicare il lavoro.
Allo stesso modo, il biologo evoluzionista Etienne GJ Danchin e i suoi colleghi dell’Istituto nazionale di ricerca per l’agricoltura, l’alimentazione e l’ambiente in Francia stanno studiando una suite di enzimi che i vermi nematodi hanno ottenuto dai batteri. E sembra che più di 100 famiglie di geni siano passate dai microbi alle piante molto tempo fa, ha scritto Jinling Huang della Eastern Carolina University e colleghi in un foglio quest'anno.
Ci sono ragioni meravigliosamente chiare per cui l’evoluzione ha sorriso ad alcuni di questi improbabili trasferimenti. I pesci con il gene non si congelano. Gli enzimi digestivi dei nematodi consentono loro di estrarre più energia dalle pareti cellulari delle piante di cui si nutrono. A causa di un insieme di enzimi raccolti dai batteri, le alghe rosse che vivono nelle sorgenti termali studiate dal biologo evoluzionista Debashish Bhattacharya e il suo studente Julia Van Etten alla Rutgers University possono sopravvivere al contatto con sostanze che altrimenti li ucciderebbero. Se un gene aumenta la sopravvivenza, non ci vuole molto prima che i discendenti del primo organismo che lo acquisisca ne prendano il posto.
Non tutti questi geni erranti, però, portano necessariamente un vantaggio. BovB è un noto trasposone, un frammento di materiale genetico incline a saltare in modo casuale attorno al genoma. In un certo senso, i suoi salti dai serpenti alle rane in Madagascar – comunque siano avvenuti – sono semplicemente salti stranamente più grandi del solito. Inoltre, sebbene i trasposori possano avere effetti profondi sui genomi, BovB non è un gene con una funzione nel senso tradizionale; è solo un frammento di DNA che fa copie di se stesso. Kurabayashi osserva che, nonostante questa possibilità BovB non si può escludere che abbiano beneficiato le rane, è più probabile che sia così BovB persiste attraverso il proprio aggressivo successo nell'autoduplicazione. Ciò può aiutare a spiegare perché quando gli eucarioti si ritrovano con il materiale genetico di altri organismi, trasposoni come BovB sono spesso coinvolti.
Per quanto strano possa sembrare che gli eucarioti raccolgano geni dai batteri, ancora più strano è il fatto che esempi di trasferimento genico orizzontale nella direzione opposta sono molto più rari. Per qualche ragione, i batteri non vogliono i nostri geni. I geni eucariotici hanno caratteristiche strutturali che li rendono materiali tutt’altro che perfetti per i batteri, ma potrebbero esserci anche altri fattori che contribuiscono.
“Forse gli eucarioti non hanno i geni a cui i batteri sono interessati”, ha detto Patrick Keeling, un biologo dell'Università della British Columbia che studia i trasferimenti orizzontali.
Diventando virale
A differenza dei batteri, i virus hanno una vera abilità nel captare i geni dai loro ospiti eucariotici. I virus, in particolare quelli chiamati retrovirus, hanno gli strumenti per penetrare nelle cellule e nei nuclei di un ospite e sono maestri nell’inserire materiale genetico nei genomi dell’ospite. Fino all’8% del genoma umano è costituito dai resti di retrovirus, frammenti di infezioni risalenti a molto tempo fa nella storia della nostra specie.
A volte anche il trasferimento va nella direzione opposta. In un documento pubblicato nella Natura Microbiologia lo scorso dicembre, Keeling, suo collaboratore Nicola Irwin dell’Università di Oxford e i loro colleghi hanno eseguito la prima analisi completa dei trasferimenti genici orizzontali tra 201 eucarioti e 108,842 virus. Hanno trovato prove di oltre 6,700 trasferimenti di geni, con trasferimenti da ospite a virus circa due volte più comuni dei trasferimenti da virus a ospite. Conclusero che i trasferimenti genici orizzontali erano stati i principali motori dell’evoluzione da entrambe le parti: i virus spesso usavano i geni eucariotici acquisiti per diventare più efficaci nell’infettare i loro ospiti, mentre gli eucarioti a volte usavano elementi dei geni virali per creare nuove caratteristiche o per regolare la loro evoluzione. metabolici in modi nuovi.
Risultati come questi hanno convinto alcuni biologi che almeno alcuni trasferimenti genici orizzontali potrebbero essere facilitati dai virus. Se i virus possono prelevare geni dai loro ospiti e se possono lasciare dietro di sé pezzi del loro genoma, sembra possibile che a volte possano anche trasferire geni dall’ultimo ospite che hanno infettato, o anche da uno di generazioni fa, e trasmetterli a un nuovo ospite.
Il coinvolgimento dei virus potrebbe anche aiutare a risolvere un altro enigma sui trasferimenti orizzontali negli eucarioti. Affinché i trasferimenti avvengano, i geni viaggianti devono superare tutta una serie di ostacoli. Innanzitutto devono passare dalla specie donatrice alla nuova specie ospite. Quindi devono entrare nel nucleo e sistemarsi nel genoma ospite. Ma entrare nel genoma di una cellula qualunque non basta: nelle creature multicellulari come le rane e le aringhe, un gene non verrà trasmesso alla prole dell’animale a meno che non possa intrufolarsi in una cellula germinale – uno spermatozoo o un ovulo.
I virus potrebbero rendere più probabile questa serie di eventi. Nei piccoli organismi come i nematodi, ha detto Danchin, il tratto riproduttivo e le sue cellule germinali non sono lontani dal tratto intestinale, dove i virus ingeriti con il cibo possono depositarsi. Poiché le rane rilasciano le loro uova e lo sperma in mare aperto, quelle cellule sono potenzialmente vulnerabili ai virus presenti nell’ambiente che potrebbero insinuarsi nei geni.
Anche con creature più grandi, potrebbe essere più facile di quanto pensi. A questo punto, è ancora un’idea speculativa, ma “il tratto riproduttivo è pieno di microbi e virus”, ha detto Danchin. “Sappiamo che alcuni virus infettano specificamente le cellule germinali”.
Keeling suggerisce che per comprendere il mistero del trasferimento genetico orizzontale, forse dovremmo considerarlo come una conseguenza ecologica del comportamento di un organismo, dei suoi vicini e del suo ambiente. Se un gene trasferito orizzontalmente conferisce qualche beneficio in termini di sopravvivenza, è probabile che dipenda fortemente dallo scenario specifico in cui si trova il destinatario del gene: un mare ghiacciato, una sorgente calda, una pianta ospite appetitosa con difese robuste. "Sono così legati all'ecologia in cui si trova quella cosa, ma cambia", ha ipotizzato. Con lo spostamento sbagliato dell’ambiente, il gene trasferito “non è più vantaggioso ed è perso”.
Indizi ecologici
I trasferimenti genici orizzontali negli eucarioti possono avvenire in continuazione: nello stagno del tuo giardino, nel terreno sotto i tuoi piedi, negli animali, insetti e piante che compongono l'ecosistema. "Penso che ci sia molto più trasferimento di quanto sappiamo", ha detto Bhattacharya. “Semplicemente non li vediamo perché sono stati spazzati via”.
Per verificare quanto sia comune che le rane abbiano un serpente BovB, il team di Kurabayashi ha contattato i colleghi per ottenere campioni di rane provenienti da tutto il mondo per il sequenziamento del DNA. Hanno scoperto che su 149 specie, 50 sono tornate BovB. Le 32 rane malgasce testate costituivano meno di un quarto di tutte le specie campionate, ma 29 di loro portavano il gene del serpente, una netta maggioranza di tutti i trasferimenti trovati in tutto il mondo. Inoltre, almeno due dei lignaggi delle rane non sono stati acquisiti BovB fino a quando i loro antenati migrarono dall'Africa al Madagascar.
La cosa più interessante dello studio, ha detto Graham, “è che mostra che il tasso di trasferimento non è uniforme. Varia ampiamente tra le regioni geografiche. Se ulteriori studi si proponessero di esaminare il trasferimento genico in tutto il mondo – verificando se i trasferimenti sono avvenuti a ritmi diversi in luoghi diversi – ciò che scopriremo potrebbe sorprenderci. Forse la geografia conta più di quanto potremmo aspettarci.
C’è qualcosa nell’ambiente del Madagascar che lo rende un punto caldo per i trasferimenti genetici? Nessuno sa. Kurabayashi dice che lui e il suo gruppo sospettano fortemente che si tratti del serpente BovB in Madagascar differisce dalle versioni di altre parti del mondo perché è leggermente più bravo a inserirsi in un nuovo ospite.
Ma anche l’abbondanza di parassiti sull’isola potrebbe essere un fattore determinante. Ad esempio, "in Madagascar ci sono molte sanguisughe", ha detto Miguel Vences, erpetologo dell'Università di Tecnologia di Braunschweig in Germania e autore del nuovo articolo. "Se sei nella foresta pluviale, li noterai." Queste creature succhiasangue si nutrono di molti tipi di animali, comprese rane e serpenti, e non disdegnano di campionare gli esseri umani. Vences e i suoi colleghi ipotizzano che le sanguisughe possano portare nelle rane il sangue contenente il gene del salto del serpente, o forse il gene del salto è già nel genoma della sanguisuga da precedenti contatti con i serpenti. Poi magari un virus non identificato fa il resto.
Sfortunatamente, non è facile dimostrare o confutare gli scenari che descrivono come potrebbero essersi verificati tali trasferimenti orizzontali. Senza una selezione per preservare le sequenze di DNA, queste tendono a mutare e a mescolarsi per lunghi periodi di tempo, cancellando l’evidenza molecolare di un trasferimento. E se nel trasferimento è coinvolto un virus, in primo luogo potrebbe lasciare pochissime prove, ha detto Graham. I ricercatori potrebbero quindi aver quasi bisogno di cogliere un salto genetico in atto per sapere come sta accadendo.
Bhattacharya è nelle fasi iniziali di un progetto che mira a fare proprio questo. Nelle sorgenti termali di Lemonade Creek nel Parco Nazionale di Yellowstone, lui e i suoi colleghi stanno cercando segni di trasferimenti che potrebbero essere ancora in fase di presa piede. Stanno studiando il Dna delle alghe rosse che hanno raccolto geni da batteri che vivono anche nelle sorgenti, geni che presentano solo piccole differenze rispetto agli originali. “Non stiamo parlando di milioni di anni fa”, ha detto Bhattacharya. “Stiamo parlando di un DNA molto simile, che coesiste in due diversi ambiti della vita, nello stesso ambiente”.
Se gli scienziati scoprissero che le alghe nelle sorgenti vicine sono prive di uno di questi geni trasferiti, allora potrebbero essere testimoni dell’inizio di un’ondata di cambiamento genetico che si muove verso l’esterno attraverso le alghe, da una sorgente vicina a quella successiva. Ogni nuova piscina termale può essere un’isola sull’orlo di una trasformazione.
