Simbionti batterici ed eucariotici: stesso ruolo, diverso scenario di evoluzione del genoma

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Al contrario di quanto osservato per i simbionti batterici, i simbionti eucariotici sembrano avere un diverso pattern di evoluzione del proprio genoma a seguito dell’instaurarsi della simbiosi. In particolare, mentre i simbionti batterici compattano il proprio genoma, i simbionti eucariotici sembrano andare nella direzione opposta, tanto da acquisire un genoma progressivamente più grande a seguito dell’accumulo di elementi genetici mobili ed introni.

Una presenza immancabile su molte piante dalla primavera all’autunno è data dagli afidi, piccoli insetti di colore variabile tra il verde chiaro e il nero, comunemente chiamati “pidocchi” (sebbene con i pidocchi non abbiano nulla a che fare!). 
Molto spesso gli afidi colonizzano celermente le piante andando ad accumularsi sulle nuove foglie e sui boccioli. Quando avrete però afidi sulle vostre piante, prima di correre ad acquistare un insetticida, riflettete sul fatto che state osservando un piccolo microcosmo popolato da una grande varietà di simbionti. In particolare, gli afidi necessitano di simbionti batterici poiché hanno una dieta fortemente sbilanciata, in quanto ricchissima di zuccheri, ma povera di azoto e amino acidi. A risolvere questa carenza intervengono alcuni batteri che producono ciò che serve agli afidi avendo in cambio tutto ciò di cui loro necessitano per sopravvivere e replicarsi. Tra i simbionti presenti vi sono alcuni piccoli batteri Gram negativi appartenenti al genere Buchnera, caratterizzati dal fatto di avere un genoma di dimensioni molte ridotte, poiché a seguito della loro evoluzione come simbionti hanno progressivamente semplificato il proprio genoma, perdendo tutti quei geni che erano alla base di funzioni deputate ora all’ospite (Moran et al. 2009). In particolare, diversi autori ipotizzano che l’instaurarsi dell’interazione simbiotica sia accompagnata da un aumento del tasso di trasposizione di elementi genetici mobili che andrebbero a inserirsi nei numerosi geni non più utilizzati andandoli ad inattivarli stabilmente per poi favorirne la perdita
Perché mantenere, ad esempio, tutti i geni per il catabolismo, se come simbionte posso eliminare le molecole di scarto semplicemente rilasciandole all’interno dei tessuti dell’insetto? A seguito dell’instaurarsi della simbiosi, il genoma di Buchnera è stato progressivamente eroso tanto da essere circa 1/7 rispetto a quello di un batterio a vita libera quale è Escherichia coli. La simbiosi è così intima che mancano nel genoma di Buchnera anche alcuni geni che servono per una completa organizzazione della membrana plasmatica, poiché anche per queste molecole il simbionte si affida al suo ospite (Moran et al. 2009). A seguito dell’instaurasi di una stretta interazione simbiotica, Buchnera non può vivere al di fuori del suo ospite, così come neppure gli afidi possono vivere senza la produzione di amino acidi garantita dal simbionte. Al fine di assicurarne la sopravvivenza, Buchnera viene “preservato” al sicuro all’interno di cellule specializzate (definite batteriociti), dove si replica e vive. 
L’interazione tra Buchnera e afidi vede diverse molecole prodotte dalle cellule dell’ospite entrare nelle cellule dei simbionti assicurandone, ad esempio, la replicazione… vi ricorda qualche cosa questo flusso di molecole? Da un punto di vista funzionale questi simbionti non sono molto diversi dai mitocondri che possiedono un proprio genoma (molto compatto a seguito di erosioni dovute alla sua natura simbiotica!)… cosa possiamo quindi aspettarci nella loro futura evoluzione? Chissà, forse nel futuro prossimo anche questo simbionte diverrà un organulo aggiungendo una nuova tappa all’endosimbiosi seriale che ha caratterizzato la storia degli eucarioti. 
Al contrario di quanto osservato per i simbionti batterici, i simbionti eucariotici sembrano avere un diverso pattern di evoluzione del proprio genoma a seguito dell’instaurarsi della simbiosi. In particolare, mentre i simbionti batterici compattano il proprio genoma, i simbionti eucariotici sembrano andare nella direzione opposta, tanto da acquisire un genoma progressivamente più grande a seguito dell’accumulo di elementi genetici mobili ed introni (come suggerito da Lynch e Conery 2003 e da Lynch 2006). 
Per verificare questa ipotesi, Kevin J. Vogel e Nancy A. Moran hanno analizzato cosa accade in alcuni afidi appartenenti alla sottofamiglia dei Cerataphidinae che al posto di Buchnera ospitano un simbionte eucariotico denominato Yeast-Like Symbiont (YLS). La scelta di usare questi afidi deriva dal fatto che, analizzando il genoma di questo nuovo simbionte è possibile confrontarne l’evoluzione rispetto ad altri lieviti “a vita libera”, nel senso di non coinvolti in simbiosi. Secondo quanto pubblicato sulla rivista Genome Biology and Evolution, Vogel e Moran hanno osservato un aumento del numero di introni nei geni di YLS rispetto agli ortologhi di altri lieviti, mentre moderato è risultato l’accumulo di elementi genetici mobili. Inoltre, sebbene alcune vie metaboliche siano state perse rispetto ad altri lieviti, la simbiosi sembra influenzare la composizione del genoma del simbionte eucariotico in modo decisamente inferiore rispetto a quanto osservato in Buchnera, tanto che il genoma di YLS presenta ancora una ricca ed eterogenea capacità metabolica. 
Da quanto emerge quindi nei simbionti eucariotici l’espansione degli elementi genetici mobili e quella degli introni sarebbero due processi ben distinti in cui gli introni andrebbero ad aumentare di numero per primi, mentre la quantità di elementi genetici mobili sarebbe maggiormente regolata. In alternativa, il fatto che la simbiosi tra afidi e YLS sia più recente rispetto all’interazione afidi-Buchnera potrebbe suggerire che l’espansione degli elementi genetici mobili richieda più tempo e/o l’inattivazione di numerosi geni implicati nel loro controllo.
Bibliografia: