Come i serpenti persero gli arti e le talpe la vista: la genetica dei fenotipi perduti

Un nuovo studio di genomica comparata getta luce sugli eventi genetici che hanno condotto alla perdita di alcuni tratti morfologici nei serpenti e in alcuni mammiferi ipogei

Generalmente, si è dell’idea che l’evoluzione proceda per aggiunta di nuovi tratti fenotipici, in accordo con l’immagine intuitiva e fortemente radicata di una inevitabile scalata, su per una rampa di complessità morfologica. Nonostante il percorso evolutivo di numerose linee filetiche mostri innegabilmente sia la comparsa di nuovi tratti morfologici che l’aumento in complessità di tratti già esistenti, questa non è tutta la storia. In altri rami dell’albero della vita, infatti, specifici tratti morfologici sono andati perduti col tempo: i casi più famosi sono i serpenti, rettili che, intorno ai 100 milioni di anni fa, sono andati incontro alla perdita di tutti e quattro gli arti, e alcuni mammiferi (come Heterocephalus glaber, detto anche “ratto-talpa nudo” e Condylura cristata, detta anche “talpa dal muso stellato”) che, in virtù del loro habitat sotterraneo – privo quindi di stimoli visivi – hanno subito una evidente degenerazione degli occhi.

Un recente studio, pubblicato su Nature Communications, integrando approcci di sequenziamento genomico e di analisi comparata tra genomi diversi, fornisce un quadro più preciso di quali elementi genetici siano effettivamente coinvolti nella perdita di fenotipi complessi, come gli arti e gli occhi. L’ipotesi di lavoro dei ricercatori è che la perdita di un tratto fenotipico sia “solo” un’altra forma, seppure estrema, di “modificazione fenotipica” e che, quindi, anch’essa debba emergere da cambiamenti nell’attività dei geni che regolano lo sviluppo embrionale del tratto fenotipico stesso. I geni in questione potrebbero essere specifici per il tratto in questione, e quindi non essere attivi in altri contesti, oppure potrebbero avere altre funzioni in altri tessuti e in momenti diversi dello sviluppo (una condizione, quest’ultima, detta di “pleiotropia”).

Cosa controlla l’attività dei geni pleiotropici? Nel genoma sono presenti delle sequenze di DNA che non codificano per proteine, la cui funzione è quella di regolare l’attività di altri geni, grazie al legame con specifiche proteine (dette “fattori di trascrizione”). Questi tratti non codificanti di DNA sono definiti “elementi cis-regolatori”. Se un gene viene espresso in contesti diversi (tessuti e organi differenti, ad esempio), esso avrà a disposizione più elementi cis-regolatori, ognuno dei quali legherà dei fattori di trascrizione prodotti in una specifica regione corporea (tessuto o organo che sia).

Gli autori ipotizzano che la sequenza di eventi genetici – che alla fine portò alla perdita dei fenotipi in questione – iniziò con la comparsa di mutazioni inattivanti in quegli elementi cis-regolatori specifici per gli arti (nei serpenti) e per gli occhi (nei mammiferi ipogei). A questo punto, i geni sotto il controllo di tali elementi non sarebbero più stati espressi durante lo sviluppo embrionale nelle zone e nei tempi opportuni. Lo sviluppo di arti e occhi, quindi, ne sarebbe risultato fortemente alterato, se non arrestato del tutto. Poiché le mutazioni avrebbero riguardato soltanto gli elementi cis-regolatori degli arti e degli occhi e non quelli di altri tratti fenotipici, le funzioni dei geni in altri contesti non sarebbero state intaccate. In altre parole, le mutazioni non avrebbero modificato altre strutture corporee, permettendo così all’organismo mutante di sopravvivere.

Una volta che la perdita degli arti e la degenerazione oculare si fossero dimostrate vantaggiose per gli individui mutanti, la selezione naturale ne avrebbe favorito la diffusione. Il corollario di questa ipotesi è che gli elementi cis-regolatori mutanti di arti e occhi, non dovendo più svolgere alcuna funzione, avrebbero potuto accumulare nel tempo altre mutazioni casuali al loro interno, modificando notevolmente la loro sequenza. L’accumulo di mutazioni sarebbe quindi una prova indiretta dell’avvenuta disattivazione dell’elemento cis-regolatorio.

Lo studio in questione ha dimostrato sperimentalmente la validità di tale ipotesi, confrontando gli elementi cis-regolatori di due serpenti (appartenenti ai generi Boa e Python) con quelli di alcuni rettili dotati di arti (tra cui delle lucertole appartenenti al genere Teiidae): come ci si aspettava, gli elementi cis-regolatori che controllano lo sviluppo degli arti nei serpenti mostrano una pronunciata divergenza della loro sequenza (ossia, un accumulo di mutazioni) rispetto a quelli dei rettili dotati di arti. Le mutazioni che si sono accumulate negli elementi cis-regolatori (degli arti) dei serpenti, inoltre, hanno determinato la scomparsa dei siti di legame per i fattori di trascrizione, impedendo a queste proteine di svolgere la loro funzione di regolazione genica.

La degenerazione oculare dei mammiferi ipogei, che si manifesta come ridotta dimensione dei globi oculari, lenti disorganizzate, retina ispessita e perdita delle connessioni dei nervi ottici, si è evoluta indipendentemente in diverse linee filetiche (a differenza della perdita degli arti nei serpenti, che si è invece verificata una volta sola nel loro antenato comune). Anche in questo caso, il confronto dei genomi di H. glaber, C. crystata e altri mammiferi ipogei con i genomi di mammiferi dotati di occhi funzionanti (come Mus musculus, il comune topo) ha evidenziato nei primi organismi un accumulo di mutazioni negli elementi cis-regolatori coinvolti nello sviluppo di diverse strutture dell’occhio (retina, cristallino, cornea, ecc.).

In conclusione, la forza di questo studio consiste soprattutto nell’aver individuato un metodo per identificare regioni del genoma coinvolte nella presenza o assenza di un certo tratto fenotipico, effettuando analisi comparative tra i genomi di organismi che manifestano quel tratto e i genomi di organismi che lo hanno perso (o non l’hanno mai avuto). Ulteriori indagini ci permetteranno di scavare più a fondo nella genetica dei fenotipi perduti.


Bibliografia:
Juliana G. Roscito, Katrin Sameith, Genis Parra, Bjoern E. Langer, Andreas Petzold, Claudia Moebius, Marc Bickle, Miguel Trefaut Rodrigues & Michael Hiller. Phenotype loss is associated with widespread divergence of the gene regulatory landscape in evolution. Nature Communications.

Immagine Credit: Craig Chandler, Angie Fox, Jason Head, University of Nebraska-Lincoln