L’evoluzione indipendente dei muscoli superveloci dei vertebrati

I muscoli superveloci che, con l’alta frequenza sincronizzata della loro contrazione, permettono l’ecolocazione dei pipistrelli o la produzione sonora di alcuni uccelli, condividerebbero lo stesso meccanismo d’azione in tutte le classi di vertebrati ma si sarebbero evoluti in modo indipendente

Le fibre muscolari superveloci, in grado di generare una risposta motoria nell’arco di pochi millisecondi e di ripeterla ciclicamente, si sarebbero evolute nei diversi gruppi di vertebrati. A sostenerlo, un team internazionale di ricercatori guidato da Andrew Mead dell’Università del Vermont con una ricerca pubblicata su eLIFE.

Sebbene la loro presenza sia ormai stata scoperta in tutte le classi di vertebrati, come nei pipistrelli, dove questi muscoli controllano le chiamate rapide, cicliche e ad alta frequenza dell’ecolocazione, oppure negli uccelli canori, dove controllano la frequenza e la tonalità dei display sonori, rimane ignoto se queste fibre derivino da un progenitore comune a tutti i vertebrati o si siano evolute in modo indipendente.

Per provare a sciogliere questo nodo, il team guidato da Andrew Mead ha condotto una approfondita analisi genetica, ultrastrutturale e di letteratura su diversi modelli di vertebrato per comprendere se queste fibre siano associate alla produzione di suoni; se siano espresse dallo stesso tipo di gene; se condividano lo stesso meccanismo fisiologico e la stessa struttura.

L’attenzione dei ricercatori si è focalizzata innanzitutto sulla presenza dei geni MYH, che codificano nei vertebrati per le catene pesanti della miosina, proteina motrice non rilevata finora nelle fibre superveloci.

I ricercatori hanno condotto una analisi della sequenza genomica del diamante mandarino (Taeniopygia guttata), un uccello canoro dell’Australia orientale, e del vespertilio bruno (Myotis lucifigus), un pipistrello dell’America settentrionale, utilizzando come sequenza di riferimento il gene ortologo umano MYH13. I risultati mostrano la presenza di questo gene in entrambi le specie sotto esame. L’analisi è stata poi estesa ad altri genomi di vertebrati: volpe volante malese (Pteropus vampyrus), pollo (Gallus gallus), pitone moluro (Python molurus), rospo africano (Xenopus tropicalis), pesce palla giapponese (Takifogu rubripes). Quest’ultima analisi ha rilevato la presenza dei geni MYH13 e MYH14 nei genomi di pollo e volpe volante malese ma non in quelli del pitone moluro, pesce palla giapponese e Xenopus tropicalis, dove sono stati trovati altri geni della famiglia MYH.

A questo punto i ricercatori hanno studiato l’espressione del gene MYH13 in fasi diverse della vita del diamante mandarino per verificare l’associazione tra fibre superveloci e display sonori, mostrando una sovraespressione del gene MYH13 nella fase giovanile, ancora legata all’apprendimento delle tonalità sonore.

Inoltre, lo studio mostra una correlazione tra la sovraespressione e la progressiva perdita dell’intensità della contrazione di queste fibre a favore di una maggior frequenza col passare dell’età.

Infine, lo studio ha condotto una analisi di ultramicroscopia e fisiologia su diamante mandarino, vespertilio bruno e serpente a sonagli (Crotalus atrox), di cui è nota la presenza di fibre superveloci, per verificare frequenza e tipologia dei canali per la trasmissione rapida del calcio nel tessuto muscolare.

L’osservazione, condotta considerando le diverse temperature a cui è associata la funzionalità muscolare di questi vertebrati, ha mostrato valori convergenti per tutte le fibre superveloci (circa 1.5-2 millisecondi per la transizione del calcio a parità di sforzo).

Queste osservazioni sono sufficienti per poter affermare che l’evoluzione di queste fibre è avvenuta in modo indipendente in questi animali? Secondo i ricercatori l’analisi delle sequenze genetiche conferma gli studi pubblicati fin qui, secondo cui i geni MYH13 e MYH14 sarebbero il prodotto di fenomeni di duplicazioni indipendenti.

In particolare, non aver trovato geni ortologhi di MYH13 nel genoma dei pesci e dei serpenti studiati, specie prive di produzione sonora dove sono presenti altri geni della famiglia MYH, suggerisce ai ricercatori che questi geni si siano evoluti in modo indipendente nelle diverse classi di vertebrati.

La ricerca si conclude con una osservazione che getta le basi per ulteriori studi. Tutte le fibre superveloci dei vertebrati studiati convergono verso la stessa velocità di contrazione: per gli autori questo dato indica che i muscoli superveloci potrebbero rappresentare il limite di velocità raggiungibile dalla contrazione muscolare dei vertebrati e, di conseguenza, il modello per comprendere meglio come funziona anche la contrazione dei muscoli normali.


Riferimenti:
Andrew F Mead, Nerea Osinalde, Niels Ørtenblad, Joachim Nielsen, Jonathan Brewer, Michiel Vellema, Iris Adam, Constance Scharff, Yafeng Song, Ulrik Frandsen, Blagoy Blagoev, Irina Kratchmarova, Coen PH Elemans. Fundamental constraints in synchronous muscle limit superfast motor control in vertebrates. eLife, 2017; 6 DOI: 10.7554/eLife.29425

Immagine: di pubblico dominio (da Wikimedia Commons)