Che ci fa un gene di serpente nelle rane?

Rane e serpenti sono nemici per natura. Come gli inglesi egli scozzesi. Come i gallesi e gli scozzesi. Come gli scozzesi e altri scozzesi.

Credo non sia una sorpresa se vi dico che quando un serpente si avvicina a una rana, silenzioso e furtivo, non lo fa per farle uno scherzo.

E chiaramente non è su queste banalità che si è concentrato, un interessantissimo articolo pubblicato l’anno scorso sulla prestigiosa rivista Molecular Biology and Evolution.

Un gruppo di ricercatori specializzati nella biologia evolutiva, nella bioinformatica e nella filogenetica, studiando il genoma di alcune rane e serpenti endemici del Madagascar, si è accorto che diverse specie di rane avevano un gene la cui sequenza era uguale a quella di un gene di vipera.

Volendo approfondire questa circostanza un po’ “inusuale” hanno scoperchiato un vaso di pandora che ha dimostrato come il “passaggio di geni” fra animali, avviene più frequentemente di quello che ci si aspettava.

Ma andiamo con calma e immergiamoci in questo studio spiegando tutto, passo per passo.

Trasferimento verticale e orizzontale

Partiamo da delle premesse molto generali.

Nei batteri, si cita spesso il trasferimento genico verticale e quello orizzontale.

In cosa consistono?

Il trasferimento genico verticale si riferisce al trasferimento del materiale genetico dalla cellula madre alle cellule figlie.

Probabilmente già saprete che i batteri si riproducono per divisione cellulare, per cui le cellule figlie sono geneticamente identiche alle cellule madri. L’unica fonte di variazione genetica, in questo trasferimento, è rappresentata dalle possibili mutazioni che possono avvenire durante la replicazione del DNA.

I batteri hanno però un’altra arma per aumentare la diversità del proprio genoma e per acquisire nuovi tratti che potrebbero aiutarli a sopravvivere. Sto parlando del trasferimento genico orizzontale.

Nei batteri, il fenomeno è molto comune e consiste nello scambio di materiale genetico fra due organismi.

Per aiutarvi a immaginare questo scambio, il “materiale genetico” di cui si parla è spesso (ma non sempre) costituito dai plasmidi, degli anelli di DNA che i batteri possono scambiarsi in vario modo.

Questo meccanismo è stato studiato e sfruttato largamente nell’ingegneria genetica per far produrre, a colonie batteriche, sostanze utili all’uomo.

Inserendo in un plasmide il gene dell’insulina, per esempio, siamo riusciti a produrre insulina a basso costo (in realtà è un po’ più complicato di così, ne abbiamo parlando nel dettaglio qui).

Tipi di trasferimento genico orizzontale nei batteri

Con l’aiuto dell’immagine vediamo quattro diversi tipi di trasferimento genico orizzontale.

A) Coniugazione: il plasmide viene passato da un batterio all’altro grazie alla formazione di un ponte citoplasmatico chiamato pilo.

B) Trasformazione: del DNA o RNA libero, spesso derivante da cellule batteriche morte, viene preso e introgredito dal batterio.

C) Trasduzione: un virus prende del DNA da un batterio e poi infetta un altro batterio passandogli, fra le altre cose, materiale genetico del precedente ospite.

D) Vesiduction: è stata proposta recentemente come quarta via, consiste nella produzione di piccole vescicole contenenti materiale genetico che vengono assorbite da un altra cellula batterica.

Più unico che raro (fino ad ora)!

Il trasferimento di geni fra microrganismi e animali e fra microrganismi e piante è stato documentato più e più volte. Per esempio, un insetto patogeno del caffè, Hypothenemus hampei, possiede un gene di origine batterica che gli permette di “digerire” meglio i chicchi di caffè.

Ciò che è molto più raro è il trasferimento orizzontale di un gene fra due organismi pluricellulari “complessi”.

Qualche tempo fa abbiamo parlato di quanto è stata rivoluzionaria la ricerca che ha dimostrato il primo caso di trasferimento genico da una pianta a un insetto (Bemisia tabaci).

Un altro esempio è che Laurie Graham, biologa molecolare presso la Queen’s University in Canada, ha avuto problemi a pubblicare il lavoro del suo team per le scoperte controintuitive che avevano fatto.

Il loro studio suggeriva che aringhe e osmeridi, pesci che hanno colonizzato lo stesso habitat ma non imparentati tra loro e non interfertili, hanno esattamente lo stesso gene per una proteina che impedisce al loro sangue di congelarsi.

Molto probabilmente il risultato di un trasferimento orizzontale dalle aringhe agli osmeridi.

Con lo studio di oggi vedremo che forse questo fenomeno succede più spesso di quanto non si credesse.

Geni salterini

I geni che abbiamo citato poco fa hanno in comune il fatto di portare un vantaggio all’organismo che li possiede. Proprio grazie al loro vantaggio, questi geni, partendo da un individuo, si sono affermati in tutta la popolazione.

Non tutti i geni che si afferamo in una popolazione, tuttavia, comportano necessariamente un vantaggio. Prendiamo la sequenza nota con il nome di BovB, che è un noto trasposone, un frammento di materiale genetico che salta a caso nel genoma lasciando sue copie un po’ dappertutto.

BovB non è un gene con una funzione nel senso tradizionale del termine ma, come molti trasposoni, è solo un pezzo di DNA che fa copie di se stesso. Fu identificato inizialmente nei bovini (da cui il nome) poichè ne costituisce oltre il 18% del genoma.

Studi successivi hanno dimostrato che BovB è un trasposone che ha origine in serpenti e lucertole e solo succesivamente è stato trasmesso nei bovini.

Il successo con cui BovB persiste nei genomi degli organismi dopo un trasferimento orizzontale è dovuto proprio alla aggressiva autoduplicazione.

Ma le rane e il Madagascar?

Date queste premesse, e considerando la prevalenza di anfibi nella dieta dei serpenti, il gruppo di ricerca si è chiesto se un qualche tipo di trasferimento orizzontale fosse avvenuto anche fra questi organismi.

Per verificarlo, il team del professor Kurabayashi, del Nagahama Institute of Bio-Science and Technology, ha chiesto allз colleghз di altre università campioni di rane di tutto il mondo per sequenziarne il DNA.

Dai dati ottenuti è emerso che delle 149 specie di rane sequenziate, ben 50 presentavano il trasposone BovB.

E pensate, delle 32 specie provenienti dal Madagascar ben 29 erano quelle portatrici del gene serpentino.

Un dato significativamente più alto rispetto alla frequenza riscontrate in altre zone del mondo.

Interessante è il caso di due specie, Heterixalus e Ptychadena madascareniensis, entrambe derivanti da antenati migrati dal continente africano al Madagascar. Sebbene i loro stretti parenti su suolo africano non presentino il gene, queste due specie appena arrivate in Madagascar lo hanno ottenuto.

Questo ha sorpreso molto i ricercatori, sembra quasi che il tasso di trasferimento di geni non sia uniforme nel mondo e, forse, la geografia conti più di quanto ci si possa aspettare.

Cosa succede in Madagascar?

C’è qualcosa nell’ambiente del Madagascar che rende più frequente il trasferimento orizzontale? Nessuno può dirlo con certezza.

Kurabayashi e il suo gruppo sostengono che che il trasposone BovB presente nei serpenti del Madagascar sia leggermente diverso dalle versioni di altre parti del mondo. Probabilmente un po’ più abile nel riuscire a entrare in un nuovo ospite.

E’ verosimile che anche l’abbondanza di parassiti sull’isola potrebbe essere un fattore che contribuisce.

Per esempio, in Madagascar ci sono molte sanguisughe.

Questi organismi succhiasangue si nutrono di molti tipi di animali, tra cui rane e serpenti, e non disdegnano di assaggiare gli esseri umani. Può darsi che nel mordere una rana del sangue residuo di serpente, contentente il gene BovB, sia entrato nella preda.

O le sanguisughe non c’entrano nulla ed è tutta colpa di un virus, come al solito.

L’ipotesi virus

Abbiamo detto che il passaggio di geni da batteri a batteri è molto comune.

Lo è abbastanza anche quello da batteri a eucarioti (il dominio più complesso che include, fra gli altri, piante, funghi e animali).

Molto più raro è un trasferimento genico nella direzione opposta, da eucarioti a batteri, poichè i geni eucariotici hanno caratteristiche strutturali che li rendono meno funzionali per i batteri.

O forse ai batteri non interessano i nostri geni!

Cosa ben diversa è per i virus! In questo caso è la sagra dei trasferimenti orizzontali.

Gente che entra, gente che esce, lo rrradiamo al suolo questa merda di genoma!

I virus, in particolare i retrovirus, hanno gli strumenti per entrare nelle cellule e nei nuclei dell’ospite e sono maestri nell’inserire parti del loro materiale genetico nei genomi dell’ospite.

Fino all’8% del genoma umano è costituito da avanzi di retrovirus, frammenti di infezioni avvenute molto tempo fa nella storia della nostra specie.

Una cosa curiosa, ma ben documentata, è che non è raro che il trasferimento avvenga anche in senso inverso.

Un articolo pubblicato su Nature Microbiology dimostra come i trasferimenti da ospite a virus sono circa due volte più comuni di quelli da virus a ospite. L’articolo suggerisce che i trasferimenti genici orizzontali sono stati importanti motori dell’evoluzione per entrambe le parti.

Non è difficile immaginare come i virus possano funzionare da traghetti di geni, inglobandoli in un organismo per poi inserirli in un altro, magari centinaia di migliaia di anni dopo.

Conclusione

Purtroppo non è facile provare o confutare gli scenari che descrivono come potrebbero essersi verificati questi trasferimenti orizzontali.

Se nel trasferimento è coinvolto un virus, questo potrebbe lasciare ben poche prove.

L’ideale per lз ricercatorз sarebbe cogliere un salto genetico in flagrante per sapere quale organismo o circostanza permetta il trasferimento orizzontale.

Studi come questo però ci dimostrano come molti assiomi ipotizzati in passato siano da rivedere.

E personalmente trovo molto eccitante e interessante questa idea di interconnessione per cui tutti gli organismi possono potenzialmente scambiarsi materiale genetico. E molti, probabilmente, lo hanno già fatto.

Giovanni Cagnano

Plant Breeder di mestiere, divulgatore per hobby.
Nato sotto una foglia di carciofo e cresciuto a orecchiette e cime di rape, sono sempre stato interessato alla genetica. Ho studiato biotecnologie agrarie e, dopo un erasmus in Danimarca, ho proseguito con un industrial PhD nella stessa azienda sementiera presso cui stavo scrivendo la tesi. Dal 2019 sono rientrato in Italia e lavoro attivamente come plant breeder, realizzando varietà di ortaggi che molto probabilmente avete mangiato 🙂