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?

How to Build a Vertebrate Reloaded!

PREMESSA: per poter comprendere al meglio questo post è necessario aver letto almeno il secondo (meglio anche il primo) post della serie "How to Build a Vertebrate" (primo, secondo). Se non lo avete ancora letto, vi pregherei di farlo. 

Chi invece ha già in mente di cosa si parlava può procedere direttamente con la lettura di questo post.

Vi ricordate questa immagine?

Nel secondo post della serie "How to Build a Vertebrate" (qui) presentavo questo disegno come immagine finale di una mia ipotesi riguardante l'origine dei vertebrati e in particolare i possibili eventi di duplicazione del genoma avvenuti nel punto di divergenza tra invertebrati e vertebrati e tra gnathostomi e cyclostomi.

La "visione tradizionale" (la chiamo così perchè è la stessa che mi è stata insegnata a me all'università e che ho trovato anche su molti testi e pubblicazioni recenti non specifiche) vuole che un primo evento di duplicazione del genoma separi gli invertebrati (con un singolo set genetico) dai vertebrati (set multiplo) e che un secondo evento di duplicazione sia avvenuto dopo la separazione tra cyclostomi e gnathostomi. Questi ultimi, forti del loro quadruplo set di geni, avrebbero perciò avuto poi il successo evolutivo che effettivamente hanno avuto. In questo senso i cyclostomi, che possiedono un set di geni in meno (3 set) rispetto a quattro degli gnathostomi, rappresenterebbero una sorta di forma intermedia all'interno della storia evolutiva degli animali. Questa posizione spiegherebbe le caratteristiche morfologiche primitive presenti in lamprede e missine.

How to (realy) build a vertebrate

La vita si evolve, la scienza si evolve, la conoscenza si evolve.

L'altro ieri (12 febbraio) era il Darwin Day e molte persone hanno voluto festeggiare il grande maestro con post su blog o commenti su facebook.

Io, ho passato l'ultima settimana a "evolvere" la mia conoscenza studiando molto (ho due esami della specialistica da dare, uno venerdì, l'altro settimana prossima) e dedicando ahimè poco tempo a voi e a questo blog. Ma lo studio, l'evoluzione della conoscenza, non è mai inutile.

E, come mio piccolo tributo personale a Darwin, oggi voglio redimermi e con le mie nuove conoscienze, con il mio stato di persona evoluta rispetto ad una condizione di scibile precedente, devo ritornare su un argomento che avevo trattato in precedenza e che necessità di una revisione.

Un paio di settimane fa avevo parlato del passaggio evolutivo da invertebrati e vertebrati, di come esso sia avvenuto presumibilmente per una duplicazione del codice genetico (in particolare avevamo visto cosa successe ai geni Hox) da invertebrati al primo vertebrato, e poi per successiva doppia duplicazione su fino agli gnathostomi.

Tutto ciò nasceva dalla constatazione (ovviamente non mia, nel senso, molti ci sono arrivati prima di me) che tra i vertebrati e gli invertebrati vi è talmente tanta disparità nell'organizzazione del corpo e nella complessità, che questa è spiegabile solo ipotizzando profonde modificazioni nel codice genetico.

Nel precedente post, che potete leggere qui, dicevo questo:

"Sharman e Holland, 1998, hanno provato a ipotizzare un possibile scenario per spiegare questa situazione.

Essi ipotizzano che sia avvenuta una prima duplicazione che ha portato dal singolo set di geni Hox dei cephalocordati a un doppio set di geni nell'antenato comune a cyclostomi e gnathostomi Successivamente, è avvenuta da una parte un'ulteriore duplicazione, che ha portato alla linea dei cyclostomi e al loro triplo set di geni, dall'altra è avvenuta una modificazione doppia (da 2 a 4) che ha portato ai quattro set di geni per gli gnathostomi, che si sono potuti poi radiare velocemente e in moltissime forme grazie anche a questa grandissima disponibilità genica."

Questa spiegazione, che, mi sembra di capire, per molti ha ancora senso, ipotizza che il passaggio dalla morfologia relativamente semplice degli invertebrati a quella complessa dei vertebrati sia avvenuta come una sorta di esplosione, un salto evolutivo di cruciale importanza dopo di cui l'evoluzione si trovò a poter procedere senza problemi verso le strade della complessità.

Fu un fenomeno geologicamente rapido, paragonabile per importanza alla cosidetta "esplosione cambriana": nulla fu più come prima e l'evoluzione dei cordati subì una sferzata incredibile.

 

Cladogramma dell'evoluzione dei geni Hox secondo la visione "tradizionale"

Tuttavia, già mentre scrivevo il post, mi ponevo domande a cui non riuscivo a trovare risposta, o meglio, le cui risposte erano in contrasto con questa visione delle cose.

La rivincita dei cyclostomi!

Il mio rapporto con lamprede e missine è sempre stato di neutrale indifferenza. Ho cominciato a conoscerle in dettaglio all'università, nei documentari e nei libri di zoologia. In quanto allevatore e studioso dei pesci, le ho sempre trattate con rispetto e viste con un leggero alone di mistero.
Ma, un pò per sentimenti miei, un pò forse a causa di quello che mi è sempre stato insegnato su questi due gruppi di animali, non ho mai pensato potessero essere particolarmente speciali.
Da circa un anno dedico la mia attenzione e i miei studi ai pesci fossili, in particolare agli "agnati" e, per mia fortuna, sto riscoprendo un mondo magico che nessuno fin'ora mi aveva insegnato.
Lamprede e missine (chiamate "affettuosamente" cyclostomi, o pesci dalla bocca circolare), sono molto più speciali di quanto avrei mai detto.
Eppure, ai più sembrano solo bizzarri animali con il corpo allungato e senza bocca, con disgustose abitudini parassite e poca attrattiva dal punto di vista scientifico (per non parlare di quello estetico – non sono di certo i soggetti più ricercati per i documentari-).

Credo che questo problema nasca da cosa viene sovente insegnato riguardo ai cyclostomi.
Spesso si pensa che l'evoluzione dei vertebrati sia una storia raccontata solo da spettacolari fossili, da passaggi evolutivi straordinari, da forme di vita complesse e meravigliose. Per tanto, cosa volete che siano due miseri gruppi di animali che strisciano (meglio, nuotano), non hanno la bocca e si nutrono di piccolissimi animali o sono parassiti?
Pensate che il buon Linneo nel 1758, anno della pubblicazione del suo Systema Naturae, classificò le missine come vermi intestinali e le lamprede come vertebrati degenerati. Non un bel giudizio, che diamine!
Ma il più grande problema è che gli scienziati non sono mai stati d'accordo sulla posizione filogenetica di questi due gruppi, e, quindi, sulla loro importanza dal punto di vista dello studio dell'evoluzione dei vertebrati.

La settimana scorsa ho partecipato ad un convegno, organizzato dall'Università degli Studi di Milano, sulla variabilità fenotipica e in particolare sui ciclidi (un gruppo di pesci d'acqua dolce molto plastici, con un numero spropositato di specie tutte filogeneticamente molto vicine) e sulle piante. In quell'occasione, ho avuto modo di provare (grazie anche al mio contributo) come siano lontane le metodologie e le idee di chi studia la filogenesi dei fossili e di chi invece si occupa dei viventi.
Il "problema cyclostomi" racchiude in se questa (a volte feroce) diatriba.

Geni Hox e Dintorni

Nella precedente PaleoStoria abbiamo parlato dei geni Hox e di come il loro numero vari a seconda dei diversi gruppi di animali e di come questi siano importanti per l'organzzazione del corpo.

Ma, cosa sono questi geni Hox? E perchè è interessante conoscere la loro funzione e la loro distribuzione nel corpo? A queste due domande tenterà di rispondere il post di oggi.

Vi siete mai chiesto perchè la maggior parte degli animali abbiano proporzioni e disposizioni corporee simili? perchè noi, il topo, il tonno e l'aragosta (per esempio), possediamo tutti quanti una bocca posta anteriormente e  un ano posto posteriormente? perchè non il contrario? entrambi abbiamo anche una porzione anteriore e una posteriore, i nostri organi crescono in posizioni simili, tra la bocca e l'ano, la coda in tutti questi animali si trova dietro la cavità anale, etc.. Quindi, tutti questi animali sembrano avere un piano corporeo molto simile e apparentemente ordinato secondo medesime istruzioni. 

Perchè? E' veramente così?

La risposta è si. Tutti questi animali hanno un medesimo piano di organizzazione corporea insito nel loro DNA, che durante il loro sviluppo embrionale fa si che ogni cosa cresca nel modo giusto, e  questo modo giusto è lo stesso per gran parte degli animali (nonchè per tutti quelli menzionati prima).

Tra le tante cose che fanno si chè questo sviluppo organizzato si attui, ci sono anche i nostri geni Hox, di cui ora parleremo, seppur in maniera ancora generale, più in dettagglio. Tralascio gli altri fattori perchè richiederebbero basi di genetica relativamente complesse e non è mio obbiettivo parlare di queste cose.

La scoperta dei geni Hox è frutto (come un sacco di altre scoperte nel campo della genetica) degli innumerevoli studi effettuati dai ricercatori su un piccolo animaletto, un moscerino della frutta che risponde all'altisonante nome di Drosophila melanogaster.  Questo piccolo esserino, decisamente uno degli animali più studiati in laboratorio, presenta una conformazione fisica simile a quella della maggior parte degli altri animali, con una simmetria bilaterale, un apparato digerente completo, appendici pari, etc. E soprattutto ha il grande vantaggio di riprodursi in pochissimo tempo, in modo da poter fornire rapidamente varie generazioni da studiare (nonchè tanti "pazienti" da poter esporre ai più disparati esperimenti).

Grazie allo studio dello sviluppo embrionale di questi insetti, gli studiosi si sono accorti che ogni tanto avvengono mutazioni a livello genetico, tale che alcuni individui nascono "deformi", per esempio con antenne al posto degli occhi, o con un paio di ali in più, o ancora senza alcune parti del corpo, etc.

La domanda quindi è ovvia: perchè alcune parti del corpo crescono dove non dovrebbero crescere? perchè al posto degli occhi crescono le antenne? cosa regola quali e in che luogo le varie parti del corpo devono crescere?

Attraverso una serie di tecniche che permettono di visualizzare il cromosoma, i ricercatori sono riusciti ad indivuare la zona di cromosoma responsabile di queste mutazioni, scoprendo che in Drosophila esistono otto geni che sviluppano mutazioni, disposti uno di fianco all'altro all'interno di una delle due lunghisime eliche che compongono il suo DNA. In maniera sorprendente (ma forse neanche più di tanto) questi geni sono disposti in maniera ben organizzata, con i geni che determinano i mutamenti della testa seguiti da quelli che determinano la porzione centrale del corpo, poi da quelli che concorrono all'organizzazione della parte posteriore. La disposizione di questi geni sul filamento rispecchia la reale posizione delle parti del corpo nell'animale sviluppato. Sorprendente vero?

Questi otto geni presenti in Drosophila sono i nostri cari geni Hox.

E, udite udite, questi geni Hoxx si trovano in qualsiasi animale dotato di un corpo!

Bingo!

Ora sappiamo che in tutti gli animali muniti di un corpo vi è una sequenza (più o meno lunga) di geni Hox, che svolgono una funzione fondamentale nell'organizzazione del corpo. Versioni diverse degli stessi geni gestiscono la disposizione antero - dorsale del corpo di quasi tutti gli animali, dal polpo al moscerino, dall'anguilla al cavallo. Se si vanno a toccare i geni Hox l'impianto corporeo si modifica imprevedibilmente: togliamo ad una Drosophila un gene nella zona delle antenne e queste non si formeranno, o si formeranno nel modo non appropriato. In questo modo possiamo modificare a nostro piacimento (!!) il sistema corporeo di un qualsiasi animale di cui riusciamo a modificare i geni Hox.

I geni Hox stabiliscono inoltre anche le proporzioni delle varie parti del corpo, sono attivi nello sviluppo di organi, tessuti, arti, scheletro, genitali, etc..

Come abbiamo visto in precedenza, animali diversi hanno un numero diverso di geni Hox. 2 geni Hox sono presenti negli Cnidari, circa 4 (ma non si sa ancora bene) negli Acoelomorpha (vi ricordate il precedente post sulla simmetria bilaterale?), 8 in Drosophila e gli insetti, e 39 in noi e gli altri mammiferi.

E, se guardiamo bene, i 39 nostri geni Hox non sono altro che modificazioni degli 8 geni Hox di Drosophila, così come questi sono una versione diversa dei 4 geni Hox degli Acoelomorpha e così via.

Nonostante la differenza di complessita quindi, gli animali possiedono tracce di un loro legame intrinseco molto forte, come ci dimostrano appunto i geni Hox. Probabilmente, mutazioni e duplicazioni nel corredo genetico di animali dotati di un set di geni Hox ancora poco sviluppato, come potrebbe essere l'antenato comune dei metazoi, avrebbe portato poi a sviluppare quella complessità (o, se guardiamo ai geni Hox, quell'ordine meravigliosamente disposto) che oggi noi vediamo nel mondo animale.