Sequenziato il genoma del cetriolo di mare

Il sequenziamento del genoma dell’oloturia fornisce importanti informazioni sulla filogenesi dei deuterostomi e sulle capacità rigenerative degli echinodermi

Tra i parenti più prossimi dei cordati, il phylum cui noi stessi apparteniamo, ci sono i membri del phylum degli echinodermi, che comprende cinque principali classi di animali ubiqui nell’ambiente marino: asteroidei (le stelle marine), echinoidei (i ricci di mare), ofiuroidei (le stelle serpentine), oloturie (i cetrioli di mare) e crinoidi (i gigli di mare). Benché la loro morfologia li renda molto diversi da noi, anch’essi fanno parte del clade dei deuterostomi, e l’embrione presenta simmetria bilaterale, anche se l’adulto può avere l’apparenza della simmetria radiale, come nelle stelle marine, nei ricci e nei gigli di mare. Da qui l’importanza di studiarli per comprendere le caratteristiche dei più antichi antenati dei cordati.

All’interno degli echinodermi, la classe degli Holothuroidea contiene quegli strani animali noti come cetrioli di mare, a causa della morfologia che li rende simili all’omonimo ortaggio. Si tratta di organismi estremamente diffusi, che rappresentano in alcune aree fino all’80% dell’intera biomassa degli invertebrati bentonici; sono molto sfruttati per le loro proprietà nutritive e medicinali. Sono importanti come bioturbatori del sedimento e ospiti simbiotici, e per le loro abilità rigenerative. Anche stelle e ricci di mare hanno la capacità di ricostruire parti danneggiate del corpo, ma non quanto le oloturie, che possono, nel giro di poche settimane, ricostruire gli organi interni dopo l’eviscerazione, praticata come difesa dai predatori.

Uno studio pubblicato di recente su PLOS Biology ha iniziato a esplorare i meccanismi genetici che sottendono le eccezionali caratteristiche del cetriolo di mare, per comprenderne le basi molecolari, grazie al sequenziamento del genoma di Apostichopus japonicus, una specie importante anche da un punto di vista alimentare ed economico. Finora erano stati sequenziati i genomi di altri due echinodermi: il riccio di mare viola (Strongylocentrotus purpuratus) e la stella di mare corona di spine (Acanthaster planci). A inizio 2017 era stata pubblicata anche una mappa genomica di A. japonicus, ma era frammentaria e incompleta, rappresentando solo l’80,5% dell’intero genoma. Assemblare i genomi degli invertebrati marini è una sfida impegnativa anche a causa del loro elevato livello di eterozigosi, che rende la ricostruzione difficoltosa; un po’ come se si dovessero ricomporre due puzzle molto simili, i cui pezzi fossero stati mescolati. L’attuale ricerca, basata su strumenti sofisticati di sequenziamento del genoma, è arrivata a mapparne, secondo le stime, oltre il 91%, ed è completa per le sequenze che codificano proteine, per le quali ha individuato oltre 30000 geni. Inoltre i ricercatori hanno usato un approccio multiomico, eseguendo cioè analisi non solo del genoma, ma anche del trascrittoma e del proteoma. Il vantaggio è di poter controllare quali geni sono espressi, e in quali particolari condizioni.

Dal punto di vista filogenetico, lo studio mostra che echinodermi ed emicordati sono gruppi fratelli la cui divergenza si sarebbe verificata intorno a 533 milioni di anni fa, all’incirca coincidente con l’esplosione del Cambriano inferiore (Pikaia ne ha parlato, ad esempio, qui, qui e qui). All’interno degli echinodermi, oloturie ed echinoidei sarebbero gruppi fratelli; la divergenza tra le cinque classi di echinodermi risalirebbe a ben 479 milioni di anni fa.

Gli echinodermi adulti sono privi di notocorda e fessure branchiali, caratteristiche invece dei cordati; tuttavia nel genoma del cetriolo di mare sono stati trovati marcatori genetici associati alla notocorda e alle fessure branchiali; si può dunque supporre che questi phyla abbiano condiviso un antenato comune, dotato di entrambe le caratteristiche, che gli echinodermi avrebbero poi perduto. Questo conferma dunque la stretta relazione tra i due cladi, già suggerita dall’esistenza di fossili, come Stylophora, che condividono lo scheletro di calcite con gli attuali echinodermi e le fessure branchiali con i cordati.

Non ha destato stupore la scoperta che i geni della biomineralizzazione sono ridotti nelle oloturie, in confronto ai ricci di mare; infatti le prime sono dotate di un endoscheletro estremamente sottile, costituito da microscopici ossicini inseriti in uno spesso strato di tessuto connettivo cutaneo; mentre i secondi hanno un endoscheletro calcareo ben sviluppato e pesantemente calcificato.

Riguardo infine alla capacità rigenerativa dei cetrioli di mare, gli studiosi hanno cercato di determinare quali ne siano le basi molecolari e hanno individuato in particolare due famiglie geniche, i FREP, geni della proteina correlata al fibrinogeno, e una famiglia di geni analoghi ai geni PSP94, quelli della proteina secretoria prostatica 94 dei vertebrati. I geni FREP formano in A. japonicus la famiglia genica con maggior espansione e sono ampiamente espressi nel trascrittoma e nel proteoma durante gli stadi iniziale e mediano della rigenerazione viscerale, fornendo supporto all’ipotesi che siano coinvolti nella regolazione di tale processo. Anche i geni simili ai PSP94 presentano duplicazioni e ripetizioni nel genoma del cetriolo di mare e sono specificamente espressi negli intestini in rigenerazione, mentre non sono espressi in stadi embrionali o larvali.

L’analisi trascrittomica inoltre ha mostrato che il processo della rigenerazione viscerale nel cetriolo di mare è molto complicato, richiedendo l’attivazione di un gran numero di geni regolatori, tra cui molti geni ortologhi a quelli di vertebrati e mammiferi, come alcuni fattori di pluripotenza delle cellule staminali. I geni esclusivi o significativamente espansi giocano probabilmente ruoli chiave nella notevole capacità rigenerativa delle oloturie; tuttavia i geni regolativi della rigenerazione condivisi tra gli echinodermi e il gruppo fratello dei cordati sostengono l’ipotesi che i meccanismi rigenerativi possano essersi conservati lungo l’evoluzione dei Deuterostomia.

I dati multiomici ottenuti riguardo al cetriolo di mare forniranno una base utile a successive ricerche non solo nel campo dei processi biologici ed evolutivi di oloturie ed echinodermi, ma anche nel campo delle applicazioni commerciali e mediche; nelle prime per favorire un allevamento efficace e sostenibile, ma soprattutto nelle seconde, cui il cetriolo di mare offre, per le sue notevoli capacità rigenerative, un modello animale particolarmente promettente.


Immagine
By harum.koh from Kobe city, Japan – Japan sea animal, Stichopus japonica, CC BY-SA 2.0, via Wikimedia Commons