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domenica 6 maggio 2012

How to build a Vertebrate Final Chapter: i cyclostomi e la perdita di materiale genetico

Questo è l'ultimo post della serie How to Build a Vertebrate ("Come costruire un vertebrato").
Se avete seguito i tre post precedenti, avete visto come siano importanti nella storia dei vertebrati almeno due grandi eventi di duplicazione del genoma.
Non riassumerò anche in questo post la faccenda, sennò sarei sempre ripetitivo. Quindi, se qualcuno avesse difficoltà a seguire il resto del discorso, può andarsi a leggersi uno o più post precedenti della serie (primo, secondo, terzo).

Nell'ultimo post avevo concluso dicendo che alcuni studi sul genoma delle lamprede hanno portato dati a supporto dell'ipotesi secondo la quale entrambi questi eventi di duplicazione sono avvenuti prima della divergenza tra cyclostomi e gnathostomi (vedere qui). Questi dati provengono soprattutto dal confronto di alcuni tratti di geni che risultavano in comune tra i due gruppi e discendenti da un ampio evento di duplicazione avvenuto prima della separazione di questi gruppi.

Considerando questo scenario come realistico, oggi dovremmo vedere un certo grado di uniformità all'interno del genoma di cyclostomi e gnathostomi. Se essi si sono originati da un grande evento (doppio) di duplicazione genetica avvenuto nel loro antenato comune, è pensabile che essi posseggano caratteristiche genetiche e morfologiche abbastanza simili, tale da oservare ampiamente la loro comune parentela genetica.
Invece non è così, dal momento che non solo cyclostomi e gnathostomi possiedono una morfologia per moltissimi aspetti differenti (anche se includiamo le forme estinte di gnathosmi stelo, come i miei amati arandaspidi e gli altri "ostracodermi"), ma anche a livello fisiologico e genetico (come vedremo in seguito) essi mostrano notevoli differenze.
Come è possibile spiegare questa incongruenza?

Chi ha seguito fin dall' inizio la vicenda saprà quale sia la mia visione in merito a questo argomento.
In vari post relativi precedenti ho espresso la mia ipotesi secondo la quale i cyclostomi, partendo appunto da una situazione comune a quella del primo gnathostomo, con un genoma costituito da 4 set di geni Hox e una grande abbondanza genetica data dal doppio evento duplicativo, avrebbero perso parte del genoma e sarebbero "degenerati" (meglio, molto evoluti) in una morfologia apparentemente più primitiva, probabilmente anche per via del loro habitat e del loro stile di vita molto particolare.

Nonostante io ci sia arrivato da solo, recentemente ho scoperto che altre e ben più grandi menti avevano pensato tutto questo prima di me.
Ad esempio, il genetista Shigeiro Kuraku si è spesso dedicato a questo problema.
In una sua publicazione (Kuraku et al., 2009) esso scrive: "[..] le caratteristiche mofologiche "primitive" dei cyclostomi potrebbero essere attribuibili a modificazioni secondarie del loro corredo genetico o a cambiamenti delle funzioni e delle regolazioni dei geni avvenuti secondariamente [..]".
Nel 2010, in un articolo presentato ad un simposio sulla genomica dei cordati basali (Kuraku, 2010) esso dice: "l'inconguenza tra i genomi di cyclostomi e gnathostomi potrebbe essere stata causata da reciproca perdita di geni in entrambi i gruppi dopo il comune evento di duplicazione".
L'ipotesi che la peculiare anatomia dei cyclostomi potrebbe essere frutto di secondarie perdite del genoma, tale che essi non siano primitivi ma derivati rispetto alla condizione basale dei vertebrati, sembra essere una spiegazione non troppo illogica.

La domanda chiave a questo punto è: esistono evidenze di perdita di parti nel genoma nei cyclostomi?

Nel mondo della scienza la perdita di parti di genoma o di riarrangiamento di quest'ultimo durante la formazione delle cellule nella fase embrionale è una cosa abbastanza nota.
Alcuni studi hanno dimostrato come essa avvenga in alcuni moscerini (Goday & Esteban, 2001), nei copepodi (Drouin 2006; Degtyarev et al., 2002) nei nematodi (Bachmann - Waldmann et al., 2004) e in numerosi protozoi (Duret et al., 2008; Yao & Chao 2005; Zufall et al., 2005).

Tuttavia, questi processi non sono cose facili da osservare in un vertebrato, un animale relativamente più complesso che un moscerino o un nematode.
Nel 2009 Smith et al. pubblicano però un lavoro sulla perdita di materiale genetico nelle lamprede.
Studiando il genoma e lo sviluppo embriologico della lampreda Petromyzon marinus, essi hanno riconosciuto come in essa avvenga uno straordinario caso di rimodellamento del genoma, con perdita di centinaia di milioni di basi durante il passaggio da fase germinale a fase somatica (insomma, da quando si passa dal concepimento alla formazione dell'embrione).
Nella linea germinale infatti, è presente con grande abbondanza una specifica sequenza di DNA che poi non si ritrova più durante la fase somatica, quando insomma i gameti (spermatozoo e ovulo) si sono già uniti e le cellule stanno prendendendo la loro forma matura.
Oltre ad essa, Smith et al. segnalano la presenza di altre sequenze geniche che vengono perse durante lo sviluppo embrionale.
La maggior parte di queste eliminazioni avvengono subito, tra i due e i tre giorni dopo il concepimento.

Per quanto sappiamo ora, le lamprede vanno incontro ad un programma di alterazione genomica che per ampiezza e intensità non sarebbe tollerabile dal genoma degli altri vertebrati.
Questo studio rivela la grande capacità dinamica del genoma delle lamprede e sottolinea una differenza indicativa tra i meccanismi genetici dei cyclostomi e degli gnathostomi.

E, non ho voluto svelarlo prima, questo meccanismo era da tempo noto nelle missine, per lungo tempo considerati gli unici cordati capaci di modificare profondamente il loro corredo genetico durante lo sviluppo embrionale.
Studi passati hanno infatti dimostrato come numerose specie di missine posseggano meccanismi di riduzione del genoma dalla fase germinale alla fase somatica, con a volte casi di riduzione del numero di cromosomi!
E' un fenomeno veramente straordinario all'interno della biologia dei vertebrati, un qualcosa che probabilmente non avremmo potuto neanche immagine e che sfida il normale "funzionamento" dei vertebrati.
Eppure, esso è stato osservato in tantissime missine, come Epatretus  burgeri (Kohno et al., 1986; Nakai et al., 1991; Kubota et al., 2001), E. okinoseanus (Nakai et al., 1991; Kubota et al. 1992), E. cirrathus (Goto et al., 1998; Nakai et al., 1995), Paramyxine atami (Nakai et al., 1991; Kubota et al., 1997), Myxine glutinosa (Nakai, 1995), M. garmani (Nakai et al., 1991).
 A questo si aggiunge la capacità, sia delle lamprede che delle missine, di riarrangiare drammaticamente i loro immuno recettori, dando ad essi un sistema immunitario molto peculiare.

(Che questa straordinaria proprietà di rimodellare il loro genoma abbia portato le missine ad essere così diverse, anche dalle lamprede stesse? Le missine sono perciò cyclostomi ultraderivati? Per ora sono solo mie speculazioni, in futuro chissà...).

Smith et al., 2010, ad un certo punto del loro lavoro affermano che "una questione importante è se la perdita di DNA nei cyclostomi rappresenta veramente una condizione ancestrale o se questo fenomeno si è evoluto parallelamente nel corso di miolioni di anni in maniera indipendente nelle missine e nella lampreda P. marinus."
L'obiettivo ora sarà verificare che queste perdite di parti di DNA avvengano anche in altre lamprede.

Tuttavia, considerando i cyclostomi come monofiletici (Smith et al. ragionano invece come se missine e lamprede non fossero sister - group), la presenza di questi meccanismi sia nelle missine che nelle lamprede assumerebbe un preciso significato. Se così fosse, tale capacità di rimodellamento potrebbe essere considerata caratteristica propria dei cyclostomi e presente anche nel loro antenato comune.

Speculo un pò, ma mi espongo dicendo che a mio avviso ciò potrebbe essere un'evidenza che l'ipotesi di un'origine dei cyclostomi da un antenato derivato da un doppio evento di duplicazione genetica che, lungo la loro linea, ha poi perso materiale genetico (anche per pressione selettiva e ambientale)  portando i cyclostomi ad avere caratteristiche morfologiche assolutamente diverse da quelle degli altri gnathostomi, sia ragionevole e parsimoniosa.

Ma tutto ciò potremmo scoprirlo solo in futuro.
Per ora i dati sono questi, e questi dati non smentiscono (nè confermano totalmente) questa ipotesi.

Comunque vada, questo è un dato piuttosto importante perchè fa vedere che almeno oggi i cyclostomi sono capaci di modificare profondamente il loro genoma. Esso va incontro a processi di rimodellamento che sfuggono alla logica degli altri vertebrati, evidenziando ancora una volta come i cyclostomi siano animali assolutamente straordinari e che parlarne sempre come "primitivi" non sia esattamente corretto.
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Bibliografia:

- Bachmann - Waldmann C., Jentsch S., Tobler H and Muller F. 2004
Chromatin diminution leads to rapid evolutionary changes in the organization of the germline genomes of the parasitic nematodes A. summ and P. univalens. Mol Biochem Parasitol 134: 54 - 64
 - Degtyarev S. V. et al. 2002
DNA sequences eliminated during chromatin diminuition of from somatic cell chromosomes of Cyclops kolensis. Dokl Biochem Biophys 384: 148 - 151
- Duret L. et al. 2008
Analysis of sequence variability in the macronuclear DNA of Paramecium tetraurelia: A somatic view of the germline. Genome Research 18: 585 - 596
- Drouin G. 2006
Chromatin diminuition in the copepod Mesocyclops edax: Diminution of tandemly repeat DNA families from somatic cells. Genome 49: 675 - 665
- Goday C. and Esteban M. R. 2001
Chromosome elimination in sciarid flies. Bioessays 23: 242 - 250
- Goto Y., Kubota S. and Kohno S. 1998
Highly repetitive DNA sequences that are restricted to the germ line in the hagfish Epatretus cirrathus: a mosaic of eliminated elements. Chromosoma 107: 17 - 32
- Kohno S., Nakai Y., Satoh S., Yoshida M and Kobayashi H. 1986
Chromosome elimination in the Japanese hagfish, Epatretus burgeri (Agnatha, Cyclostomata). Cytogenet Cell Genet 41: 209 - 214
- Kubota S, Ishibashi T. and Kohno S. 1997
A germline restricted, highly repetitive DNA sequence in Paramyxine atami: an interspecifically conserved, but somatically eliminated, element. Mol Gen Genet 256: 252 - 256
- Kubota S., Nakai Y., Kuro-o M. and Kohno S. 1992
Germ line-restricted supernumerary (B) chromosomes in Epatretus okinoseanus. Cytogenet Cell Genet 60: 224 - 228
- Kubota S., Takano J., Kobayakawa S., Fujikawa N., Nabeyama M. and Kohno S. 2001
Highly repetitive DNA families restricted to germ cells in a Japanese hagfish Epatretus burgeri: a hierarchical and mosaic structure in eliminated chromosomes. Genetica 111: 319 - 328
- Kuraku S. 2010
Palaeophylogenomics of the Vertebrate Ancestor- Impact of Hidden Paralogy on Hagfish and Lamprey Gene Phylogeny. Integrative and Comprative Biology 50 (1): 124 - 129
- Kuraku S., Meyer A and Kuratani S. 2009
Timing of Genome Duplications Relative of the Origin of the Vertebrates: Did Cyclostomes Diverge before or after? Mol. Biol. Evo 26 (1): 47 - 59
- Nakai Y., Kubota S., Goto Y., Ishibashi T., Davison W. and Kohno S. 1995
Chromosome elimination in three Baltic, south Pacific and north - east Pacific hagfish species. Chromosome Research 3: 321 - 330
- Nakai Y., Kubota S and Kohno S. 1991
Chromatin diminution and chromosome elimination in four Japanese species. Cytogenet Cell Genet 56: 196 - 198
- Smith J. J., Saha N. R. and Amemiya C. T. 2010
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- Yao M. C. and Chao J. L 2005
RNA - guided DNA deletion in Tetrahymena: An RNAi - based mechanism for programmed genome rearrangements. Annu Rev Genet 39: 537 - 559
- Zufall R.A., Robinson T. and Katz L. A. 2005
Evolution of developmentally regulated genome rearrangements in eukaryotes. Journal of Experimental Zoology (Mol Dev Evol) 304: 448 - 455

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