Sulle tracce della resistenza alle tossine nella farfalla monarca

Grazie all’editing genomico, è stato ricostruito a livello molecolare il percorso evolutivo che determina la resistenza alle tossine nella farfalla monarca, rivelando che l’ordine con cui le mutazioni sono comparse durante l’evoluzione suggerisce un “cammino” adattativo obbligato


Se mi mangi, ti avveleni. Questo è il messaggio che un potenziale predatore interpreta nelle belle ali colorate della farfalla monarca (Danaus plexippus). Infatti, la larva di questo insetto dall’aspetto grazioso e delicato, possiede la capacità di accumulare le tossine assunte con la dieta, alle quali risulta totalmente immune. Questa tolleranza ai glicosidi cardiaci, famiglia di composti organici prodotti da alcune piante appartenenti al genere Asclepias, è condivisa con altre specie animali ed avviene attraverso un meccanismo definito target-site-insensitivity (TSI), un fenomeno in cui il sito target della tossina diviene insensibile al legame con essa, annullandone l’effetto fisiologico. L’accumulo delle tossine e la resistenza al veleno via TSI sono un classico esempio di convergenza evolutiva (Pikaia ne ha parlato qui).

Per svelare i meccanismi genetici alla base dei fenomeni di adattamento è necessario individuare con precisione i legami tra l’evoluzione delle sequenze di DNA, il fenotipo che esse determinano e il vantaggio in termini di fitness che ne deriva. Per questo motivo, l’evoluzione convergente può esser e usata come guida per identificare le mutazioni candidate alla base dei fenomeni adattativi, con l’ausilio delle nuove tecnologie di editing genomico in modo da testare la funzionalità di queste mutazioni in modelli animali conosciuti.

Secondo quanto descritto in uno studio pubblicato su Nature, un gruppo di ricercatori dell’Università della California hanno utilizzato questo approccio per studiare la convergenza evolutiva in insetti appartenenti a sei ordini diversi di insetti (compreso quello della farfalla monarca), che hanno indipendentemente acquisito la capacità di colonizzare le piante che producono i glicosidi cardiaci.

Gli insetti con questa specializzazione hanno evoluto lo stesso pathway di sostituzioni amminoacidiche, in particolare nelle posizioni 111, 119 e 122 della subunità alfa della pompa NA+/K+ ATPase. Questa pompa è un complesso macromolecolare che attraversa la membrana cellulare facilitando lo scambio tra ioni sodio e potassio tra l’interno e l’esterno delle cellule, assicurando così il corretto equilibrio ionico necessario al corretto funzionamento del cuore. La pompa sodio/potassio è il target naturale dei glicosidi cardiaci che ne bloccano l’attività causando la morte dell’animale. Le sostituzioni amminoacidiche nelle posizioni descritte, annullano l’effetto del glicoside via TSI.

Attraverso una tecnica specifica per ricostruire il percorso filogenetico di questo tratto adattativo negli insetti oggetto di studio, gli scienziati hanno individuato un potenziale ordine di comparsa delle mutazioni sopracitate. Giunti a questo punto, si sono chiesti se tale ordine (mutazioni sequenziali in posizione 111-119-122, rispettivamente) fosse semplicemente opera del caso oppure fosse il risultato di un percorso ben determinato. Per dirimere la questione, la sequenza di mutazioni è stata testata in vivo utilizzando come modello animale Drosophila melanogaster, il moscerino della frutta, animale fisiologicamente sensibile ai glicosidi cardiaci.

Attraverso la tecnica di editing CRISPR-Case9 i ricercatori hanno introdotto una alla volta e secondo l’ordine individuato, il set di mutazioni nel DNA del moscerino, creando tre linee di Drosophila con genotipi consecutivi diversi. Facendo crescere uova, larve e individui adulti in presenza di uabaina, un glicoside cardiaco specifico, gli autori hanno scoperto che il tasso di sopravvivenza aumentava parallelamente all’aggiunta delle mutazioni nell’ordine individuato , fino a raggiungere il suo massimo (immunità completa alla tossina) nella linea con il set completo delle tre mutazioni, linea battezzata con il nome di “Moscerino Monarca”

Questo pathway mutazionale suggerisce che le sostituzioni sequenziali nei siti 111, 119 e 122 hanno comportato alcuni vantaggi in termini di fitness. L’associazione di queste mutazioni ha in prima istanza, conferito un graduale vantaggio all’aumentare della concentrazione delle tossine. In secondo luogo, ha permesso il sequestro dei glicosidi cardiaci attraverso un meccanismo di accumulo passivo. Infine, il particolare ordine di comparsa delle sostituzioni potrebbe aver generato un’interazione epistatica tra di esse dimostrando l’importanza ricoperta dal background genetico nella comparsa di determinati fenomeni adattativi.


Riferimenti:
M. Karageorgi et al. Genome editing retraces the evolution of toxin resistance in the monarch butterflyNature. October 2, 2019. doi: 10.1038/s41586-019-1610-8

Immagine: Sid Mosdell from New Zealand [CC BY 2.0], via Wikimedia Commons