I virus che cambiarono le alghe

Una ricerca pubblicata su Nature, rivela come all’interno del genoma di diverse specie di alghe clorofite si trovino tracce di DNA appartenente a virus giganti. Qual è stato il contributo di questi virus all’evoluzione delle alghe?


In una visione ecologica, un virus è paragonabile ad un parassita obbligato, cioè non in grado di sopravvivere e moltiplicarsi, se non ai danni di un ospite. I virus, infatti, trasportano con se piccoli genomi a RNA o DNA, privi però delle informazioni necessarie a costruire gli enzimi e le molecole che permettono la sintesi proteica: non possono, quindi, auto replicarsi. Perciò, questi “parassiti” sfruttano il macchinario replicativo della cellula che infettano e, uno dei passi fondamentali di questa strategia, è l’integrazione del proprio genoma all’interno di quello del suo ospite. In questo stadio il virus viene detto provirus. Quando la cellula avvia la trascrizione cellulare del proprio DNA, trascrive anche il provirus che è “nascosto” al suo interno, e quando la cellula traduce in proteine il trascritto finisce per produrre anche le proteine virali.

Ma da un punto di vista strettamente genetico, il provirus è una sequenza genetica che introduce nuovi geni in una cellula. Questa sequenza viene definita come elemento virale endogeno o EVE, e può essere l’intero genoma virale (provirus) oppure solo alcuni dei suoi geni. Le EVE maggiormente conosciute negli eucarioti sono di origine retrovirale ma, un recente studio pubblicato sulla nota rivista scientifica Nature, dimostra come il genoma di numerose specie di alghe sia cosparso di EVE originate da virus giganti a doppio filamento di DNA: i cosiddetti virus NCLDV. Questi virus, al contrario dei retrovirus, sono dotati di un lungo genoma che può raggiungere e superare il migliaio di kilobasi e che permette a questi virus giganti una forte manipolazione metabolica ed espressiva del suo ospite.

I ricercatori hanno spulciato il genoma di 65 specie di alghe clorofite scoprendo che in 24 di esse, si riscontra la presenza di sequenze riconducibili a 18 virus NCLDV e quindi frutto di integrazioni endogene tra il DNA virale e quello cellulare. Il contributo all’intero genoma fornito da queste EVE è risultato essere notevole, con 4 specie di alghe nei quali queste sequenze virali rappresentavano fino al 7,5% del potenziale codificante totale e, addirittura, in Tetrabaena socialis il 10%. La presenza pervasiva di questi frammenti di DNA virale ha delle notevoli implicazioni sull’evoluzione di queste clorofite.

Infatti, gli NCLDV nel loro grande genoma trasportano un ampio kit per manipolare il loro ospite composto di geni per il controllo dello stato metabolico dell’ospite, geni coinvolti nel metabolismo dei carboidrati, geni per il rimodellamento della cromatina, geni per la trasduzione dei segnali e per la produzione dell’energia cellulare: un notevole contributo genetico per le alghe clorofite. Inoltre i genomi degli NCLDV è ricco di trasposoni, cioè sequenze genetiche capaci di spostarsi da una parte all’altra del genoma, provocando mutazioni genetiche che aumentano il potenziale di plasticità di questi virus al loro prossimo ospite. Questi trasposoni virali potrebbero aver dato alle alghe una maggiore capacità di adattarsi ai mutamenti ambientali, semplicemente svolgendo il loro ruolo e cioè aumentare il tasso di mutazioni del genoma.

I ricercatori hanno inoltre constatato che le EVE delle alghe oggetto di questo studio, sono andate incontro a riarrangiamenti, duplicazioni e delezioni.  Questi eventi mutazionali localizzati in queste regioni genomiche, caratterizzate da una notevole densità codificante, hanno sicuramente contribuito ad un aumento del potenziale adattativo di queste specie.

Per gli scienziati, gli stessi geni che hanno rappresentato un vantaggio evolutivo per gli NCLDV, lo hanno rappresentato anche per le cellule delle alghe clorofite infettate.  Nel corso dell’evoluzione, queste alghe avrebbero pertanto beneficiato dell’apporto genetico fornito dai loro aggressori sfruttando e co-optando le EVE, generando così novità evolutive utili per meglio adattarsi all’ambiente.  La prova di questo fenomeno di exaptation genico e del vantaggio in termini di fitness da esso rappresentato, risiede nella conservazione di queste sequenze virali nel genoma eucariote e nella sua notevole presenza in queste specie di alghe clorofite.


Riferimenti:
Moniruzzaman, M., Weinheimer, A.R., Martinez-Gutierrez, C.A. et al. Widespread endogenization of giant viruses shapes genomes of green algae. Nature 588, 141–145 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2924-2

Immagine: Kristian Peters http://www.korseby.net/outer/flora/algae/index.html, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons