Cosa e’ accaduto durante l’Evoluzione alla super-famiglia dei geni Homeobox, implicati nella variabilita’ morfologica e fisiologica degli organismi?

Un interessante articolo dei due ricercatori J. Nam e M. Nei, della Pennsylvania State University, appare in questi giorni su Molecular Biology and Evolution (Mol. Biol. Evol. 22(12) 2386-2394 (2005)). I geni Homeobox, scoperti nei primi anni ’80 in Drosophila melanogaster, regolano vari aspetti della morfogenesi degli organismi pluricellulari, sia animali che vegetali. Si tratta di una super-famiglia comprendente piu’ di 49 differenti famiglie, ognuna delle quali e’ costituita da un certo numero di geni che regolano un particolare aspetto dello sviluppo. In particolare, sono molto noti i geni della famiglia HOX, i quali giocano un ruolo importante nelle fasi di sviluppo del piano corporeo durante l’embriogenesi degli animali. I caratteri fenotipici comuni tra organismi possono essere ricondotti alla conservazione dei geni Homeobox, mentre i caratteri diversi sono determinati da geni Homeobox che hanno subìto una differenziazione funzionale (susseguente ad un fenomeno di duplicazione) oppure dalla perdita di alcuni di questi geni. Dall’analisi dei geni Homeobox di vari organismi risulta inoltre che il numero totale di questi geni, presenti nel genoma di un organismo, ne determinano la complessita’.

Gli autori hanno svolto una meticolosa ricerca analizzando tutte le 49 differenti famiglie di geni Homeobox appartenenti a 11 organismi animali a simmetria bilaterale, dai Nematodi (Caenorhabditis elegans e Caenorhabditis briggsae) agli Insetti (moscerino della frutta e zanzara), ad un tunicato, per poi considerare vertebrati quali Pesci ossei (pesce palla ezebrafish), la rana, il topo domestico, il ratto e Homo sapiens sapiens. Attraverso la ricostruzione dell’albero filogenetico e dell’albero dei geni che lega le specie in esame, e attraverso la stima dei geni possedute dalle specie ancestrali (gli antenati comuni di queste specie) e da “archi-MRCA” (Most Recent Common Ancestor, il piu’ recente antenato comune che lega tutte le11 specie in esame), e’ stata ricostruita la storia dell’evoluzione, nell’ultimo miliardo di anni (i tempi sono basati sul concetto di orologio molecolare), dei geni Homeobox. I risultati forniscono importanti evidenze, le quali possono svelare i passaggi evolutivi intervenuti nella comparsa degli organismi a simmetria bilaterale. Tali evidenze possono essere riassunte nei seguenti punti:

– archi-MRCA possedeva gia’ molti geni Homeobox (almeno 88), segno della sua gia’ elevata complessita’ fenotipica, se comparata a quella di Nematodi ed Insetti

– I vertebrati possiedono in generale un numero almeno doppio di geni Homeobox rispetto agli invertebrati (piu’ di 200 contro 80-100): alcune famiglie hanno lo stesso numero di geni, mentre altre possiedono da due a quattro volte il numero di geni delle corrispondenti famiglie degli invertebrati. E’ curioso notare che alcune famiglie, presenti negli invertebrati, sono del tutto assenti nei vertebrati: questo aspetto meritera’ ulteriori indagini

– Dopo la divergenza Pseudocelomati-Celomati (Caenorhabditis elegans e Caenorhabditis briggsae appartengono infatti agli pseudocelomati) il numero di geni Homeobox e’ aumentato leggermente tra gli invertebrati, mentre i vertebrati hanno fatto registrare un aumento di quasi tre volte

– Durante il processo evolutivo si sono talvolta registrate delle diminuzioni del numero di geni Homeobox: i tunicati e gli insetti attuali, ad esempio, possiedono un numero inferiore di geni Homeobox rispetto al loro antenato comune

– Tra i vertebrati, il numero dei geni Homeobox e’ aumentato in due distinti periodi di tempo: nei primi stadi dell’evoluzione dei celomati e nei primi stadi dell’evoluzione dei vertebrati. Questo fenomeno coincide temporalmente con il piu’ generale aumento del numero totale di geni nel genoma degli organismi considerati

Nam e Nei hanno inoltre valutato la conservazione e la perdita di geni Homeobox ancestrali nelle undici specie attuali. E’ interessante notare che tra i vertebrati sono stati ritrovati tutti i geni di archi-MRCA, e nuove famiglie si sono formate. Rispetto agli antenati comuni (i vari nodi intermedi dell’albero filogenetico delle undici specie) si sono verificate anche perdite di geni, piu’ elevate tra gli invertebrati che tra i vertebrati. La perdita puo’ essere derivata da inattivazione di un gene ridondante, a seguito di un processo di duplicazione, o da perdita di funzionalita’ di un gene gia’ differenziato: dato che, in generale, si e’ verificata la perdita di geni particolarmente “vecchi”, il secondo meccanismo e’ quello su cui i due autori puntano maggiormente.

Questo lavoro, che dedica inoltre una discussione a parte per la famiglia dei geni HOX, evidenzia come l’acquisto e la perdita di geni Homeobox ha cambiato drasticamente il destino evolutivo e le caratteristiche fenotipiche dei differenti organismi.

Paola Nardi