Una corsa agli armamenti che si svolge in un singolo genoma

Tecnologia scientifica

Le corse agli armamenti biologici sono all’ordine del giorno in natura. I ghepardi, ad esempio, hanno sviluppato una forma corporea agile che si presta alla corsa rapida, consentendo loro di banchettare con gazzelle altrettanto veloci, la più veloce delle quali può sfuggire alla predazione. A livello molecolare, le cellule immunitarie producono proteine ​​per sconfiggere gli agenti patogeni, che a loro volta possono evolvere mutazioni per eludere il rilevamento.

Anche se meno conosciuti, altri giochi di superiorità si svolgono all’interno del genoma. In un nuovo studio, i biologi dell’Università della Pennsylvania mostrano, per la prima volta, le prove di una corsa agli armamenti genomici su due fronti che coinvolge tratti di DNA ripetitivi chiamati satelliti. Ad "opporsi" ai satelliti in rapida evoluzione nella corsa agli armamenti ci sono proteine ​​​​in rapida evoluzione che legano quei satelliti.

Anche se il DNA satellite non codifica i geni, può contribuire a funzioni biologiche essenziali, come la formazione di macchine molecolari che elaborano e mantengono i cromosomi. Quando le ripetizioni satellitari sono regolate in modo improprio, possono verificarsi danni a questi processi cruciali. Tali interruzioni sono segni distintivi del cancro e dell’infertilità.

Utilizzando due specie strettamente imparentate di moscerini della frutta, i ricercatori hanno sondato questa corsa agli armamenti introducendo di proposito una discrepanza tra le specie, contrapponendo, ad esempio, il DNA satellite di una specie alla proteina legante il satellite dell'altra specie. Il risultato sono stati gravi danni alla fertilità, che sottolineano il delicato equilibrio dell’evoluzione, anche a livello di un singolo genoma.

"Normalmente pensiamo al nostro genoma come a una comunità coesa di elementi che producono o regolano le proteine ​​per costruire un individuo fertile e vitale", afferma Mia Levine, assistente professore di biologia alla Penn's School of Arts & Sciences e autore senior del lavoro. , pubblicato su Current Biology. "Ciò evoca l'idea di una collaborazione tra i nostri elementi genomici, e questo è in gran parte vero.

"Ma alcuni di questi elementi, pensiamo, in realtà ci danneggiano", dice. "Questa idea inquietante suggerisce che sia necessario un meccanismo per tenerli sotto controllo."

Le scoperte dei ricercatori, probabilmente rilevanti anche per gli esseri umani, suggeriscono che quando il DNA satellite occasionalmente sfugge alla gestione delle proteine ​​che legano i satelliti, possono verificarsi costi significativi per la forma fisica, compresi gli impatti sui percorsi molecolari necessari per la fertilità e forse anche quelli rilevanti nell'uomo. sviluppo del cancro.

"Questi risultati indicano che esiste un'evoluzione antagonista tra questi elementi che può avere un impatto su questi percorsi molecolari apparentemente conservati ed essenziali", afferma Cara Brand, postdoc nel laboratorio di Levine e prima autrice del lavoro. "Significa che, nel corso del tempo evolutivo, è necessaria un'innovazione costante per mantenere lo status quo."

È noto da tempo che il genoma non è composto esclusivamente da geni. Tra i geni che danno origine alle proteine ​​si possono trovare lunghi tratti di ciò che Levine chiama "gobbledygook".

"Se i geni fossero parole e si leggesse la storia del nostro genoma, queste altre parti sarebbero incoerenti", afferma. "Per molto tempo è stato ignorato come spazzatura genomica."

Il DNA satellitare fa parte di questa cosiddetta "spazzatura". Nella Drosophila melanogaster, la specie di moscerino della frutta spesso utilizzata come organismo modello scientifico, le ripetizioni satellitari costituiscono circa la metà del genoma. Tuttavia, poiché si evolvono così rapidamente senza alcuna conseguenza funzionale apparente, gli scienziati credevano che fosse improbabile che le ripetizioni satellitari facessero qualcosa di utile nel corpo.

Ma lavori più recenti hanno rivisto questa teoria del “DNA spazzatura”, rivelando che il “gobbledygook”, comprese le ripetizioni satellitari, gioca una varietà di ruoli, molti dei quali legati al mantenimento dell’integrità e della struttura del genoma nel nucleo.

"Quindi questo presenta un paradosso", dice Levine. "Se queste regioni del genoma altamente ripetitive svolgono effettivamente compiti importanti o, se non gestite correttamente, possono essere dannose, ciò suggerisce che dobbiamo tenerle sotto controllo."

Nel 2001, un gruppo di scienziati avanzò una teoria, suggerendo che fosse in atto una coevoluzione, con i satelliti in rapida evoluzione e le proteine ​​leganti i satelliti che si evolvevano per tenere il passo. Nei due decenni successivi, gli scienziati hanno offerto supporto alla teoria. Con la manipolazione genetica, questi studi hanno introdotto una proteina legante il satellite di una specie nel genoma di una specie strettamente imparentata e hanno osservato cosa succede come risultato della mancata corrispondenza.