Meno è meglio

La perdita di 85 geni ha permesso ai mammiferi terrestri di adattarsi alla vita acquatica


Uno degli eventi più incredibili nella storia evolutiva dei mammiferi è il ritorno alla vita acquatica, avvenuto circa 50 milioni di anni fa, nel corso dell’Eocene. Questa transizione è stata possibile grazie ad un adattamento spinto al nuovo ambiente, legato a profondi cambiamenti nell’anatomia, nella fisiologia e nel comportamento: corpi idrodinamici, con epidermide glabra e sottile priva di ghiandole sebacee e sudoripare, uno strato spesso di grasso isolante, la perdita degli arti posteriori, la riduzione della sensibilità olfattiva e di quella gustativa (Pikaia ne ha parlato qui), un sistema respiratorio e circolatorio modificati (Pikaia ne ha parlato qui), sono solo alcuni degli adattamenti di quelli che oggi conosciamo come “cetacei”.

In una review del 2009, pubblicata su Evolution Education & Outreach, Thewissen e colleghi avevano riassunto tutte le conoscenze acquisite sull’evoluzione di odontoceti e misticeti grazie ai resti fossili (Pikaia ne aveva parlato qui), confermandone la primordiale terrestrialità. Dopo dieci anni, grazie alla genetica molecolare, un team di ricercatori tedeschi e americani rivela i cambiamenti genomici avvenuti durante la transizione alla vita acquatica, analizzando i geni codificanti per proteine che dai cetacei preistorici in poi sono rimasti inattivati. Partendo dal presupposto che la perdita di geni ancestrali costituisce una significativa spinta evolutiva, Huelsmann e colleghi hanno condotto uno screen sistematico sui geni che sono stati inattivati nel ramo derivato dei cetacei, circa tra 50 e 35 milioni di anni fa, cioè dopo la divergenza tra Cetacea e Hippopotamidae e prima della divergenza tra Odontoceti e Mysticeti.

Nello studio, pubblicato su Science Advances, gli scienziati hanno preso in esame, attraverso un approccio comparativo, 19769 geni annotati nel genoma umano; hanno poi analizzato la filogenesi di 7 mammiferi acquatici e 55 mammiferi terrestri, allineando i genomi per trovare mutazioni inattivanti, cioè che interrompessero il frame di lettura della proteina o i siti di splicing (codoni di stop, inserzioni o delezioni frame-shifting, delezioni di interi esoni), rendendo illeggibile il segmento di DNA e quindi impedendo la corretta sintesi della proteina finale. Dei 236 geni individuati, ne sono stati selezionati 110 che esibissero mutazioni inattivanti ancestrali presenti sia nei misticeti che negli odontoceti, rappresentati rispettivamente dalla balenottera minore (Balaenoptera acutorostrata) e dal tursiope (Tursiops spp.), dall’orca (Orcinus orca) e dal capodoglio (Physeter macrocephalus).

Per identificare ancora più dettagliatamente i geni inattivati durante la transizione dalla terraferma all’acqua, è stata eseguita un’ulteriore comparazione col genoma dell’ippopotamo comune, Hippopotamus amphibius, la specie vivente più vicina ai cetacei (Pikaia ne ha parlato qui). Alla fine dell’analisi, sono stati isolati 85 geni che esibiscono mutazioni inattivanti sia in misticeti che in odontoceti, ma non nella linea evolutiva dell’ippopotamo, 62 dei quali non erano mai stati rilevati. Intersecandoli con i corrispettivi geni ortologhi (che codificano per le stesse proteine) presenti in uomo e topo, i ricercatori hanno trovato un gruppo di geni che nei cetacei non sono presenti e la cui assenza è verosimilmente associata agli adattamenti acquatici. Infatti, alla perdita di ciascuno di questi fattori, e delle relative proteine codificate, sono associate le principali modifiche fenotipiche che hanno permesso ai cetacei di conquistare il nuovo ambiente, le quali riguardano soprattutto la risposta all’immersione.

Ad esempio, per evitare la formazione di trombi durante il nuoto subacqueo, è cruciale l’assenza di due fattori di coagulazione del sangue che agiscono per vie distinte, F12 e KLKB1. Tutti i cetacei sono deficitari di questi due geni, e tuttavia riescono a mantenere intatta la capacità cicatrizzante grazie ad altri fattori che favoriscono l’arresto del sanguinamento (emostasi). Lo stato di immersione induce inoltre una vasocostrizione periferica, favorita dall’assenza del gene SLC6A18, alla quale deve necessariamente seguire un ritorno del flusso sanguigno che vada a compensare l’ischemia dei tessuti; tale nuovo apporto di sangue causa la produzione di specie reattive dell’ossigeno (ROS) che, se in eccesso, possono reagire con le molecole biologiche e generare patologie cronico-degenerative. Per migliorare la risposta del DNA al danno ossidativo, e tollerare la generazione di ROS, tutti i cetacei presentano alti livelli di antiossidanti e contemporaneamente non possiedono il gene POLM, la cui assenza garantisce un più efficace sistema di riparazione dei danni molecolari da stress ossidativo.

Anche il sistema respiratorio si è dovuto adattare alla vita acquatica, dal momento che durante l’immersione i polmoni dei cetacei collassano per poi tornare turgidi nell’ascesa in superficie. L’assenza dei geni MAP3K19 e SEC14L3, fattori legati alla produzione di collagene e surfattanti polmonari, conferisce maggiore elasticità ai tessuti respiratori, permettendo di eseguire la tipica “esalazione esplosiva”, con la quale si ha un turnover quasi completo dell’aria in un singolo respiro. Grazie all’inattivazione del gene SLC4A9, la saliva nei cetacei non viene più prodotta, così come anche la melatonina, codificata dal gene AANAT, ormai inutile in un ambiente in cui non esiste un’alternanza luce-buio ed è necessario essere sempre svegli. Infatti, odontoceti e misticeti devono regolarmente riemergere per respirare e dunque il loro sonno non è più biemisferico ma è gestito soltanto da uno dei due lati dell’encefalo, mentre l’altro rimane in stato di veglia.

In sintesi, l’inattivazione dei geni può essere legata a specifici adattamenti alla vita acquatica oppure a mutazioni neutrali, accumulate per selezione “rilassata” secondo il principio di “use it or lose it” (Pikaia ne ha parlato qui), come è accaduto per il gene deputato alla produzione della saliva; secondo questo processo, i geni “inutili” vengono in un certo senso controselezionati e possono accumulare mutazioni distruttive che ne annullano la funzionalità. Tale insieme di modifiche al genoma, sommatesi nel corso dei millenni, ha portato a uno dei più eclatanti fenomeni di macroevoluzione, che oggi sappiamo affondare le proprie radici nell’assenza di specifici determinanti molecolari.

 

Riferimenti:
Huelsmann, M., Hecker, N., Springer, M. S., Gatesy, J., Sharma, V., & Hiller, M. (2019). Genes lost during the transition from land to water in cetaceans highlight genomic changes associated with aquatic adaptations. Science Advances5(9), eaaw6671

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