Tra i tetrapodi esistenti, le salamandre (Ordine Urodela) sono gli unici organismi che hanno la capacità di rigenerare completamente gli arti e la coda.

Studi molecolari hanno rilevato che la capacità rigenerativa è evolutivamente e meccanicisticamente collegata con il modello di sviluppo degli arti che nelle salamandre è differisce da quello di tutti gli altri tetrapodi attuali, ma che, come indicato dai dati fossili, era la condizione ancestrale degli anfibi vissuti oltre 300 milioni di anni fa (Pikaia ne ha già parlato qui). Tale caratteristica  poi si è persa almeno una volta nel lignaggio che porta agli amnioti.

A causa di queste peculiarità, le salamandre sono utilizzate come preziosi modelli biologici per gli studi sullo sviluppo la riprogrammazione nucleare, la rigenerazione e l’evoluzione. Tra le salamandre, la specie modello per eccellenza, utilizzata in laboratorio da più di 150 anni, è Ambystoma mexicanum (comunemente chiamata axolotl) che può far ricrescere entro poche settimane un arto completo di ossa, muscoli e nervi nei punti giusti e, ancora più affascinante, può riparare il midollo spinale e il tessuto retinico.

Per studiare la biologia cellulare e molecolare della rigenerazione degli arti e del midollo spinale in A. mexicanum e come questi meccanismi si sono evoluti, un gruppo di ricerca internazionale che fa capo a Elly Tanaka dell’Istituto Max Planck di biologia e genetica cellulare molecolare (MPI-CBG) di Dresda, ha sviluppato un ampio kit di strumenti molecolari che ha permesso loro di identificare le cellule staminali responsabili del processo di rigenerazione e i segnali che guidano il processo.

Però per studiare la regolazione e l’evoluzione dei geni che controllano questo processo ,e scoprire perché esso è così limitat0 nella maggior parte delle specie, era necessario aver accesso alle informazioni contenute nel genoma. Finora era disponibile solo il genoma di un’altra salamandra, Pleurodeles waltl, che, al contrario  di axolotl, compie sempre la metamorfosi in animale adulto, e attiva un modello di rigenerazione tissutale diverso.

Il genoma di A. mexicanum non era mai stato sequenziato completamente a causa delle difficoltà tecniche legate alle sue dimensioni: con 32 miliardi di paia di basi, è più di quasi un terzo più grande di quello di P. waltl (20 miliardi di basi) e più di dieci volte più grande del genoma umano e la grande quantità di sequenze ripetute al suo interno creava notevoli difficoltà nella fase di assemblaggio effettuato con le tradizionali metodiche bioinformatiche. Recentemente, Tanaka e colleghi sono riusciti ad ottenere la prima mappatura completa del genoma di A. mexicanum e i primi risultati dell’analisi sono stati pubblicati su Nature.

Il sequenziamento genico si basa sulla possibilità frazionare l’intero genoma in frammenti casuali lunghi poche decine di basi che possono essere copiati migliaia di volte in maniera precisa ed efficiente. Come in un puzzle. La sequenza completa si ricostruisce poi “allineando” i frammenti che hanno la stessa sequenza alle estremità. Questo tipo di metodica è generalmente molto efficiente ed affidabile, ma può generare errori e “buchi” nell’allineamento delle regioni geniche che presentano la stessa sequenza ripetuta più volte, come nel caso di A. mexicanum.

Per ovviare a questo problema, il gruppo di ricerca di Tanaka ha sequenziato il genoma di A. mexicanum due volte: una volta partendo da frammenti corti, e un’altra volta partendo da frammenti più lunghi, per inglobare le sequenze ripetute e fornire una sorta di “impalcatura” su cui poi allineare i frammenti corti. Per assemblare i diversi tipi set di sequenze ottenuti i ricercatori hanno anche sviluppato un nuovo algoritmo (chiamato MARVEL).  

Le prime analisi sul genoma di A. mexicanum così assemblato hanno evidenziato alcune caratteristiche che sembrano indicare in cosa consista la sua unicità.

Una prima sorpresa è stata la scoperta che un gene essenziale per lo sviluppo chiamato PAX3 è completamente assente dal genoma di A. mexicanum e le sue funzioni sono state rilevate da un altro gene chiamato PAX7. Entrambi i geni giocano un ruolo chiave nello sviluppo muscolare e neurale di tutti i vertebrati. I ricercatori hanno poi identificato alcuni geni che sembrano essere esclusivi di A. mexicanum e delle altre specie di anfibi capaci di qualche forma di rigenerazione ed hanno scoperto che tali geni sono espressi specificatamente nel tessuto rigenerante degli arti.

Il sequenziamento poi ha permesso di stabilire che le grandi dimensioni del genoma di questa specie di salamandra sono dovute all’aumento delle sequenze di retrotrasposoni LTR, cioè di dei frammenti di DNA capaci di trascriversi autonomamente in un intermedio a RNA e conseguentemente replicarsi in diverse posizioni all’interno del genoma.

Un’altra particolarità che ha destato l’interesse dei ricercatori è stato notare che, in contrasto con l’espansione delle dimensioni degli introni (cioè le regioni non codificanti) della maggior parte dei geni, in A. mexicanum i geni (come per esempio HOXA) che sono coinvolti alla rigenerazione degli arti tendevano ad avere introni di dimensioni simili a quelle degli altri vertebrati. Questa caratteristica potrebbe essere il risultato di una selezione positiva che manterrebbe stabile la lunghezza dei geni responsabili della rigenerazione, forse per renderne più veloce ed efficiente la trascrizione.

Queste sono solo le prime informazioni che il sequenziamento di A. mexicanum ha rivelato. Ora questa potente risorsa per comprendere i meccanismi di rigenerazione è a disposizione dei ricercatori tutto il mondo.


Riferimenti
Nowoshilow et al., The axolotl genome and the evolution of key tissue formation regulators, Nature, vol554, pages 50–55 (01 February 2018) doi:10.1038/nature25458.

Immagine: Ambystoma mexicanum, By Ruben Undheim from Trondheim, Norway licenza di uso pubblico (CC BY-SA 2.0).