Danio rerio: un pesce modello con un genoma non modello

Pubblicato sulla rivista Nature il genoma del pesce zebra Danio rerio, assiduo “ospite” di numerosi laboratori di genetica ed embriologia
A differenza di quanto sinora riportato nei mammiferi, il 40% del genoma di Danio è dato trasposoni, mentre tali elementi costituiscono solo il 3% nel genoma umano. Sino ad oggi il rospo Xenopus tropicalis
con il suo 25% di genoma dato da trasposoni era il vertebrato con più trasposoni, ma questo dato risulta decisamente più ridotto rispetto a quanto osservato nel danio zebrato.

Sebbene la sperimentazione animale in questo momento non sia molto popolare, per chi lavora con modelli animali è stato recentemente pubblicato un articolo interessante dedicato al sequenziamento del genoma del pesce zebra, Danio rerio. Questo piccolo pesce d’acqua dolce, facile da allevare in laboratorio dove genera una prole numerosa tutto l’anno, è un modello sperimentale molto usato per studi tossicologici, embriologici e genetici, tra cui anche studi volti a comprendere malattie umane.
La rivista Nature ha recentemente pubblicato la prima versione del genoma di questo piccolo ospite di laboratori di embriologi e genetisti mostrando alcune inattese scoperte. Innanzitutto, il genoma di Danio ospita oltre 26.200 geni, ovvero più di quanti siano sinora stati identificati negli altri vertebrati, tra cui un elevato numero di geni specie-specifici che (anche in questo caso) supera quanto sinora riportato in uomo, topo e pollo. Questo ampio numero di geni potrebbe essere correlato al fatto che nel corso dell’evoluzione, il genoma dei vertebrati è andato incontro a tre eventi di duplicazione dell’intero genoma: due duplicazioni sono avvenute durante l’evoluzione dei deuterostomi, che ha portato il contenuto genomico a raddoppiare (1R) e poi a quadruplicare (2R). Una ulteriore duplicazione, definita fish-specific genome duplication, sarebbe inoltre avvenuta nei pesci (tra cui anche Danio) portando il contenuto genomico a 3R. Grazie a queste ripetute duplicazioni si sarebbero quindi generati numerose nuove sequenze geniche, da cui deriverebbero i geni “in eccesso” identificati in Danio
Non tutti i geni duplicati sono stati però mantenuti, ma tante copie duplicate sono state perse o hanno acquisito mutazioni divenendo pseudogeni (ovvero copie non funzionanti di geni). A questo riguardo è però interessante notare che, a dispetto delle estese e reiterate duplicazioni e successivi riarrangiamenti genici, nel genoma di Danio troviamo un numero insolitamente basso di pseudogeni, tanto che sono poco più di 200 in Danio contro gli oltre 8.000 identificati nel nostro genoma.

La comparsa di numerosi pseudogeni è stata spesso correlata alla presenza di retrotrasposoni. Questi elementi genetici mobili possono infatti favorire sia le duplicazioni di geni o di loro parti, che il riarrangiamento delle sequenze duplicate. Un aspetto interessante è che il genoma umano (ricco di pseudogeni) contiene una elevata quantità di retrotrasposoni e pochi trasposoni. Al contrario, quasi il 40% del genoma di Danio è dato trasposoni, mentre tali elementi costituiscono solo il 3% del genoma umano. Sino ad oggi il rospo Xenopus tropicalis con il suo 25% di genoma dato da trasposoni era il vertebrato con più trasposoni, ma questo dato risulta decisamente più ridotto rispetto a quanto osservato nel danio zebrato.

Sebbene i dati sinora illustrati rivelino che questo piccolo teleosteo potrebbe essere un intrigante modello per studiare il contributo di trasposoni e duplicazioni geniche nell’evoluzione del genoma, in realtà il primario interesse molecolare per zebra fish è legato alla possibilità di usare questa specie per capire le basi di numerose patologie umane, anche in funzione della possibilità di manipolarne il genoma andando a modificare i livelli di espressioni di geni di interesse. Per quanto riguardo i geni presenti, il 69% dei geni di D. rerio ha un ortologo nel genoma umano e vi sono oltre 10.000 geni che sono condivisi tra uomo, Danio, topo e pollo a suggerire l’esistenza di una ampio set di geni essenziali nei vertebrati.
Disporre del genoma di Danio sicuramente favorirà l’utilizzo di questo teleosteo in genetica medica, ma non meno rilevanti sarà lo studio di quei tratti del genoma tipici di Danio per capire quali ruoli questi nuovi geni svolgano. 
Da un punto di vista generale ci sono alcuni dati che emergono e che mi interessano in particolar modo, ovvero se da un punto di vista genico Danio può essere un buon modello sperimentale anche in genetica umana, la struttura del suo genoma in termine di presenza di trasposoni è assolutamente inusuale per i vertebrati, così come il basso numero di pseudogeni che il suo genoma ospita. Un aspetto interessante è che anche altri organismi modello (tra cui l’insetto Drosophila melanogaster e il nematode Caenorhabditis elegans) hanno diverse peculiarità molecolari suggerendo molti organismi modello possano avere genomi non modello nel senso di avere genomi che per struttura e pattern evolutivi non sono necessariamente rappresentativi di un ampio range di specie animali… il bello dell’evoluzione è anche questo, ciascuna specie ha trovato soluzioni molecolari diverse a problemi comuni.

Mauro Mandrioli
 

Bibliografia
Howe K.(2013) The zebrafish reference genome sequence and its relationship to the human genome. Nature 496: 498-503.