I pesci che vivono negli oceani Artico e Antartico hanno sviluppato ingegnose strategie per evitare che il loro sangue e i loro tessuti si congelino nelle inospitali acque polari. Una di queste strategie adattative è l’evoluzione dei geni che producono proteine antigelo. Tuttavia, oltre un decennio fa, gli scienziati sono rimasti sbalorditi nello scoprire che aringhe e sperlani – due specie completamente diverse – hanno la stessa identica proteina antigelo codificata nei loro genomi, indicando un trasferimento genico tra di loro. Esempi come questo sollevano la domanda: come possono i geni “saltare” tra specie completamente diverse? Questo raro fenomeno, noto come trasferimento genico orizzontale (HGT), ha lasciato perplessi i biologi evoluzionisti per molto tempo. E nonostante nel corso degli anni siano stati scoperti nuovi casi di HGT in tutti i rami della vita, i meccanismi responsabili di questi trasferimenti sono rimasti in gran parte sconosciuti.
Ora, gli scienziati del gruppo di Alejandro Burga all’IMBA non solo colgono in flagrante un evento HGT nel regno animale, ma identificano anche uno dei suoi vettori a lungo ricercati. Per mezzo del lavoro di investigazione genetica, Burga e il suo team hanno mostrato un evento di HGT tra due specie di vermi isolate dal punto di vista riproduttivo che sono geneticamente tanto diverse l’una dall’altra quanto lo sono gli esseri umani dai pesci. Ancora più importante, hanno potuto identificare cosa l’ha causato: una famiglia di trasposoni simili a virus chiamati Maverick.
Inchiodare un colpevole: Maverick come vettori di HGT
“I Maverick erano già noti come una classe di trasposoni, ma il nostro lavoro li collega per la prima volta all’HGT”, afferma il leader del gruppo IMBA Alejandro Burga, autore corrispondente dello studio. “Sapevamo che l’HGT si verificava tra le specie animali, ma non avevamo idea di come. Questa è la prima volta che possiamo inchiodare definitivamente un colpevole”, aggiunge la co-prima autrice Sonya Widen, borsista postdottorato nel laboratorio di Burga.
Quando Maverick sono stati scoperti a metà degli anni 2000, inizialmente si pensava che fossero grandi trasposoni, elementi genetici egoisti che saltano e si autopropagano nel genoma a spese del loro ospite. Maverick sono stati rapidamente segnalati nella maggior parte dei rami degli eucarioti, inclusi gli umani, stabilendo così che hanno avuto origine molto tempo fa.
Trasposoni e virus, crogiolo della natura?
Presto, prova che Maverick geni contenenti codificanti elementi virali, come un capside e una DNA polimerasi, iniziarono ad emergere. “L’evoluzione dei trasposoni e dei virus è strettamente intrecciata,” dice Burga. Tuttavia, il capside e la DNA polimerasi non sono sufficienti per consentire a un trasposone di saltare dal genoma del suo ospite e infettare le cellule di un ospite completamente diverso. Ora, i ricercatori dell’IMBA hanno trovato l’anello mancante: Maverick nei genomi dei vermi hanno acquisito una cosiddetta proteina fusogena, una proteina transmembrana che media la fusione della membrana tra cellule diverse. Acquisendo un fusogeno, gli autori ipotizzano che il verme Mavericks sia diventato capace di formare particelle simili a virus che possono fondersi con le membrane cellulari di un altro organismo e infettarle. “A nostra conoscenza, nessun fusogen è stato segnalato prima in Mavericks. Pertanto, pensiamo che il worm Mavericks possa aver raccolto la loro sequenza da un virus”, afferma Widen. “Trasposoni e virus possono essere considerati il crogiolo della natura. La loro unione può avere ripercussioni imprevedibili e portare all’innovazione genomica”, afferma Burga.
Dimostrando il significato di HGT nei vermi
Nel presente studio, il team IMBA guidato da Alejandro Burga e i co-primi autori Sonya Widen e Israel Campo Bes, ex studente del master nel laboratorio Burga, si sono imbattuti in HGT “totalmente per caso”, come afferma Widen. In effetti, il team stava studiando l’origine evolutiva di un elemento egoista nel nematode Caenorhabditis briggsae. Facendo un lavoro investigativo, sono stati in grado di risalire alla sequenza di questo gene egoista fino a un altro nematode, C. plicata, che ne portava una copia quasi identica. Questa scoperta è sorprendente perché C. briggsae e C. plicata sono due specie riproduttivamente isolate. “I loro genomi sono divergenti come quelli degli esseri umani e dei pesci, eppure entrambi hanno un gene quasi identico che mostra chiaramente le caratteristiche di un evento HGT evolutivamente recente”, afferma Campo Bes. “Osservando attentamente il genoma di C. plicata, abbiamo scoperto che la sequenza ancestrale che ha dato origine al gene selfish in C. briggsae era incorporata all’interno di un Maverick in C. plicata. Il fatto che questo gene appena introdotto si sia successivamente evoluto in un Il nuovo gene egoista in C. briggsae dimostra l’impatto dell’HGT sull’evoluzione del genoma”, spiega Widen. Il team IMBA ha poi dimostrato che i Maverick sono responsabili di dozzine di eventi di trasferimento HGT indipendenti tra specie di vermi appartenenti a generi diversi e trovati in tutto il mondo.
Rilevanza agraria e medica
Gli scienziati dell’IMBA sostengono che l’unione tra trasposoni e virus è un fattore chiave nella mediazione dell’HGT. Pur trovando ancora difficile credere al loro successo, riconoscono l’impatto che le loro scoperte potrebbero avere nel sollevare i misteri dell’HGT. “Ero convinto che stessimo osservando un caso di HGT quando abbiamo visto per la prima volta questi risultati in laboratorio, ma ero anche sicuro che non avremmo mai scoperto come fosse successo. Tuttavia, le stelle si sono allineate”, afferma Burga, che ha anche prevede che i Maverick e simili elementi trasponibili simili a virus potrebbero mediare l’HGT nei vertebrati e in altri eucarioti. Infine, il team prevede possibili applicazioni sia in laboratorio che come misure di controllo dei parassiti contro le specie di vermi parassiti: “Se l’HGT mediato da Maverick si dimostra ampiamente applicabile a qualsiasi specie di nematodi, ha il potenziale per diventare una risorsa inestimabile. Oltre il rigoroso applicazioni di laboratorio e di ricerca come la manipolazione genetica di nematodi non modello, una tale risorsa potrebbe consentirci, in futuro, di modificare geneticamente specie di nematodi parassiti che potrebbero essere di rilevanza agricola o medica”, conclude Burga.
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