Le due facce della Regina Rossa

Uno studio effettuato sul complesso maggiore di istocompatibilità dei pesci pecilidi rivela che due processi opposti della coevoluzione possono operare simultaneamente sugli stessi geni

L’evoluzione consiste di adattamenti all’ambiente abiotico, ma anche alla presenza di altre specie interagenti: si parla in questo caso di coevoluzione, caratterizzata dal fatto che le pressioni selettive cambiano costantemente. Infatti, gli adattamenti di una specie provocano contro-adattamenti ‘simultanei’ nelle specie ad essa legate. La coevoluzione si riscontra in rapporti interspecifici di vario genere: predatorio, simbiotico, di competizione per le risorse, ma riveste una particolare importanza nel caso del rapporto tra parassiti e ospiti, a causa della stretta associazione e delle forti pressioni selettive che i protagonisti esercitano l’un l’altro.

Un’ipotesi cui spesso si fa riferimento nei casi di coevoluzione è quella della “Regina Rossa”, secondo cui la pressione selettiva reciproca costringe le specie interagenti a un’evoluzione molto rapida, in cui tuttavia i protagonisti restano in uno stato di sostanziale parità (Pikaia ne ha parlato ad esempio qui). Per quanto riguarda i processi sottostanti, spesso s’identifica l’ipotesi della Regina Rossa con quella che è stata definita “corsa agli armamenti”, in cui entrambe le specie si inseguono dal punto di vista evolutivo, elaborando strategie adattative per avvantaggiarsi nei confronti dell’altra specie. A livello genetico, questo fenomeno solitamente si traduce in un processo di selezione direzionale, in cui sono favoriti gli alleli vantaggiosi (ovvero quelli che permettono di avvantaggiarsi sulla specie interagente), che, nel caso di fortissima pressione selettiva, possono fissarsi nella popolazione, ma a scapito della variabilità genetica. Tuttavia può attuarsi anche un secondo processo, che è stato chiamato “dinamiche della Regina Rossa”: giacché le condizioni ambientali costituite da una specie coevolvente variano rapidamente, un allele può essere vantaggioso o meno, in base alla situazione; si può instaurare allora un polimorfismo bilanciato, cioè nella popolazione di entrambe le specie si mantengono due o più alleli in un locus, ma con frequenza variabile nel tempo, in modo spesso ciclico; si dice che è all’opera la selezione stabilizzante.

Un recente studio, pubblicato su Nature Communication, si è proposto di dimostrare che i due processi, che si situano a due estremi opposti dello spettro della coevoluzione, possono operare simultaneamente. La ricerca è stata compiuta sui geni coinvolti nella risposta immunitaria in 1675 individui di tre specie strettamente imparentate di pesci pecilidi: Poecilia reticulata,  Poecilia obscura e Micropoecilia picta, appartenenti a 59 diverse popolazioni tratte da 39 corsi d’acqua o laghi nelle zone di Trinidad, Tobago, Barbados e Hawaii. Sono pesciolini molto usati negli acquari e chiamati genericamente “guppy”.

La risposta immunitaria specifica dei vertebrati è dovuta al complesso maggiore di istocompatibilità (MHC), un gruppo di glicoproteine che legano molecole tipiche del patogeno, dette antigeni, e le espongono sulla membrana delle cellule infette, in modo che queste ultime vengano riconosciute e attaccate dai linfociti; la classe II in particolare è attiva nei fenomeni di cooperazione cellulare della risposta immunitaria. I geni di MHC sono particolarmente adatti per studiare i due aspetti della coevoluzione, giacché mostrano segni di selezione stabilizzante, come alta diversità allelica e polimorfismo trans-specifico, cioè conservazione di alleli tra specie diverse; ma presentano altresì segni di forte selezione direzionale, come l’elevato rapporto di sostituzioni non sinonime/sinonime, indice del fatto che mutazioni significative siano state favorite rispetto alle neutrali.

Nello studio sono state compiute analisi genetiche, insieme a simulazioni al computer delle dinamiche di popolazione. Per i geni di MHC dei pesciolini sono stati individuati 539 alleli, poi raggruppati in 15 “supertipi”, in base alla somiglianza nelle proprietà fisico-chimiche della loro zona di legame, quella che “cattura” l’epìtopo dell’antigene. Ogni supertipo compie, in base alle proprie peculiari caratteristiche, una distinta funzione immunologica; l’insieme dei supertipi garantisce quindi una “copertura” globale contro l’assalto dei parassiti.

L’analisi genetica delle popolazioni di guppy ha mostrato risultati assai diversi a seconda che si confrontassero i supertipi oppure i singoli alleli. Infatti i supertipi risultano distribuiti in modo relativamente uniforme tra le popolazioni delle stesse specie e condivisi tra specie diverse, nonché tra generi che hanno avuto divergenza da oltre 20 milioni di anni: dunque si può concludere che siano soggetti a selezione stabilizzante. Di contro, la differenziazione degli alleli MHC supera quella dei microsatelliti, brevi sequenze di DNA non codificante, in teoria non affette da selezione, quindi usate come confronto. Pertanto si può affermare che i singoli alleli siano soggetti a selezione positiva. In conclusione, la selezione stabilizzante e quella direzionale sembrano avvenire in contemporanea e sugli stessi geni. Come mai?

La spiegazione fornita dai ricercatori si basa sull’ipotesi del “vantaggio dell’allele divergente” insieme alla “teoria dello spazio degli epìtopi”. La prima suppone che, se i due alleli in un genotipo MHC eterozigote sono molto divergenti nella sequenza, le loro rispettive molecole differiscano proporzionalmente nel repertorio di antigeni che possono legare e perciò conferiscano una più completa sorveglianza immunologica rispetto ai genotipi con alleli più somiglianti. Questo tenderebbe a favorire alleli divergenti conducendo a una selezione bilanciata che mantiene i polimorfismi. Inoltre, per la seconda teoria, la perdita di un allele in un supertipo porta a un “buco” nella copertura immunologica, che può essere sfruttato dai parassiti dotati dell’epìtopo corrispondente, i quali, non essendo più riconosciuti dal sistema immunitario dell’ospite, saranno selezionati positivamente. Di contro nuove varianti alleliche appartenenti a quel supertipo, emerse ad esempio per mutazione, possono coprire il buco e saranno pertanto a loro volta soggette a rapida selezione direzionale. 

Dunque la selezione positiva agisce sugli alleli, mentre la selezione stabilizzante agisce sulla funzione immunologica degli alleli, definita dal loro supertipo; i due processi, dunque, per quanto apparentemente opposti, possono agire contemporaneamente.

I pesci teleostei hanno subìto una duplicazione genomica circa 300/350 milioni di anni fa (come Pikaia ha spiegato qui), ma si ritiene che essa abbia avuto poco impatto sulla variazione del numero di copie nei geni MHC; pertanto, le considerazioni fatte su questi pesci sarebbero pienamente applicabili agli altri vertebrati. È probabile inoltre che le conclusioni dello studio siano valide anche per altri geni che mostrano elevati livelli di polimorfismo allelico nonostante siano coinvolti in una corsa agli armamenti Regina Rossa, come i geni R della resistenza delle piante o i recettori KIR dei linfociti NK.

Infine, questo modello potrebbe spiegare perché la selezione naturale è incapace di rimuovere il gran numero di mutazioni che provocano oltre un centinaio di disturbi ereditabili nell’antigene leucocitario umano (HLA), equivalente di MHC. I dati empirici mostrano che c’è un basso numero di soggetti con supertipo omozigote, cioè con due copie alleliche dello stesso supertipo e in conseguenza, le mutazioni deleterie recessive sono raramente esposte alla selezione purificante.


Riferimenti
Jackie Lighten, Alexander S. T. Papadopulos, Ryan S. Mohammed, Ben J. Ward, Ian G. Paterson, Lyndsey Baillie, Ian R. Bradbury, Andrew P. Hendry, Paul Bentzen, Cock van Oosterhout. Evolutionary genetics of immunological supertypes reveals two faces of the Red Queen. Nature Communications, 2017; 8 (1) DOI: 10.1038/s41467-017-01183-2

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