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Dal Progetto Genoma alle ... formiche (3/3)

Continua da "il genoma e le api" (2/3)
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I due articoli precedenti ci hanno insegnato che lo studio del genoma permette di esplorare campi finora preclusi all'indagine molecolare; praticamente ogni tematica connessa alle scienze della vita.
Di particolare interesse è lo studio del comportamento che vede negli insetti sociali il terreno d'indagine ideale sia per la quantità di informazioni descrittive già disponibili che per la struttura di casta di tali società. Il comportamento è uno dei territori inesplorati molecolarmente più impervi che le scienze hanno di fronte: comprendere il legame fra epigenetica e processi superiori è utile per capire correttamente la biologia, cioè la conoscenza della vita.

Tutto nasce dai risultati del Progetto Genoma (PG) umano che ha reso possibile iniziare a scorgere livelli di complessità prima  inimmaginabili quali i meccanismi regolatori basati sul RNA non codificante. A distanza di più di 50 anni dalle prime osservazioni a riguardo da parte di Barbara McClintock (a lungo incompresa fino al meritato premio Nobel) sugli elemementi trasponibili  i dati ora disponibili mettono definitivamente la pietra tombale sulla visione gene-centrica.
Potrei condensare il tutto con una frase "c'è molto la dove si pensava non ci fosse nulla" per dire che le sequenze non codificanti extra-geniche e le modificazioni epigenetiche sono ora al centro della lente di ingrandimento dei ricercatori. I geni sono come i pezzi di un puzzle che possono essere usati per generare diverse figure; da soli servono a poco se manca la guida su cosa usare di volta in volta.
E' possibile ora "fotografare" un dato fenomeno (tipo di cellula, funzione, etc) e correlarlo al quadro genetico ed epigenetico associato. Nel prossimo futuro potremo probabilmente agire (continuo ad usare una similitudine pittorica) su questo quadro con pennellate precise e microscopiche in modo da trasformare quella che a noi ora appare come una immagine piana in una tridimensionale.

Il Progetto Genoma (PG) si è focalizzato inizialmente sull'essere umano, dato il legittimo coinvolgimento emotivo e la necessità di giustificare gli enormi capitali (per il mondo scientifico) da investire. Le cose sono cambiate in pochi anni date le innovazioni tecnologiche sviluppatesi in parallelo con il PG. Tali innovazioni hanno di fatto abbassato il costo operativo dai milioni di dollari e le centinaia di persone inizialmente necessarie a valori ad oggi inferiori ai mille dollari. Uno sviluppo che ha creato l'analisi genomica "pret a porter", da richiedere in remoto semplicemente inviando per posta un campione di saliva.
Il budget necessario è assolutamente compatibile non solo con le tasche della persona media (sempre che sappia leggere i risultati e questo è un tema molto importante) ma cosa importante a tutti quei ricercatori operanti in campi molto diversi da quello umano (agronomi, naturalisti, etologi, studiosi di animali da allevamento, …) che hanno ora uno strumento in più per comprendere quello che prima poteva essere solo descritto.
Non ci si stupirà allora se gli avanzamenti tecnologici portati dal progetto genoma umano sono ora ampiamente usati per lo studio di organismi diversi. 
E' importante ricordare che la Scienza non ha il fine di curare le malattie (quella è medicina) ma serve per rispondere a domande sensate.

Dicevamo ...
... nel precedente articolo abbiamo visto come la genomica sia utile per lo studio del comportamento delle api, uno studio non troppo distante dalle tematiche esplorate dalle neuroscienze.
Vedremo oggi i dati ottenuti grazie al PG sulle formiche, anch'esse insetti eusociali. 
Una regina, le operaie e... la sequenza del DNA (®yannick.poulet.org)

Senza entrare in troppi particolari che annoierebbero gran parte dei lettori, riporto sotto i dati principali sul genoma delle formiche ottenibili dall'ottima review di J. Gadau pubblicata su Trends in Genetics.
Albero genealogico semplificato delle formiche il cui DNA è stato sequenziato (®Gadau, TRENDS in Genetics)
  • Le formiche (imenotteri della famiglia Formicidae) rappresentano uno dei gruppi animali eusociali di maggior successo. Esistono 14 mila specie di formiche.
  • L'antenato comune a tutte le specie di formiche, risalente al cretaceo, presentava già elementi di eusocialità.
  • Con eusocialità si indica la forma di organizzazione sociale tipica di tutte le formiche (e di altri insetti, crostacei e vertebrati) che si esplicita in una divisione del lavoro di tipo riproduttivo (regina e operaie), nella cura cooperativa dei giovani e nella coesistenza di generazioni diverse nella stessa struttura.
  • Usando come guida la speciazione delle formiche  è possibile correlare la comparsa di elementi organizzativi peculiari a ciascuna specie CON le modificazioni genomiche intervenute.
  • E' stato sequenziato il genoma di 7 specie di formiche. Questi dati si aggiungono ai lavori precedenti fatti su api e vespe.
  • La dimensione del genoma è fra 250-753 megabasi (Mb); le differenze dimensionali sono legate al diverso numero di elementi ripetuti (fra 11 e 28% del totale) presenti. La dimensione genomica non è necessariamente correlata all'apparente grado evolutivo della specie (apparente perché la "perfezione evolutiva" si ha anche in una ameba che prolifera con successo da molte centinaia di milioni di anni). Alcuni numeri di confronto: mammiferi (> 1,7 Gb); batterio intestinale (1 Mb); piante gimnosperme (> 2 Gb), crostacei (> 150 Mb), molluschi (> 420 Mb), … .
  • Il numero di cromosomi presenti è compreso fra 1 e 16 (23 in Homo).
  • circa 18 mila geni (in mammiferi circa 20 mila)
  • Il genoma è ricco di sequenze nucleotidiche A/T (adenina/timina); si ritiene che tale arricchimento derivi dalla esistenza di ampie zone metilate del genoma. La metilazione, spesso associata a repressione genica, è in genere a carico di C/G (citosina/ guanina); C metilate hanno una probabilità maggiore di essere "lette" male durante la replicazione del DNA, con conseguente incorporazione al loro posto di una T invece che della complementare G. Questa la spiegazione standard per l'arricchimento di A/T.
  • La metilazione serve anche come fattore "stabilizzante" il genoma (in quanto blocca il movimento di una particolare categoria di sequenze dette elementi trasponibili).
  • I dati ottenuti sulle api supportano l'idea che la metilazione sia un importante strumento per regolare prima l'espressione genica ed il comportamento di casta nell'alveare, poi. Un comportamento, come abbiamo visto (QUI), associato alla particolare impronta epigenetica.
  • Nelle formiche l'ipotesi di una correlazione fra eusocialità e sequenze ricche in AT è indebolita dal fatto che specie di formiche con paragonabile eusocialità hanno percentuali A/T diverse.
  • I dati in formica non confermano quindi le conclusioni ottenute nelle api indicando l'esistenza di meccanismi alternativi nei due tipi di insetti.
  • In comune api e formiche hanno la correlazione fra l' alimentazione differenziata delle larve e le modificazioni epigenetiche prima ed ormonali poi, che culminano in individui di casta diversa. Tornando alle api una delle componenti molecolari che indirizzano una larva al destino di regina è l'espressione della proteina royalactin, responsabile delle maggiori dimensioni e dello sviluppo delle ovaie (link articolo). Al contrario le formiche sembrano necessitare di molteplici fattori ambientali oltre che genetici per indirizzare il destino della larva.
  • Studi recenti hanno meglio caratterizzato il ruolo della genetica e dell'ambiente nella determinazione di casta varia fra le diverse specie di formiche. Un esempio estremo è quello di Pogonomyrmex barbatus dove le formiche operaie derivano da incroci tra appartenenti a popolazioni diverse di formiche (ibridi intraspecie ma inter-popolazioni), mentre le regine derivano unicamente da accoppiamenti interni alla popolazione. Un esempio interessante in quanto evidenzia come queste formiche necessitino, per formare una struttura sociale completa, di accoppiamenti interni ed esterni alla "tribù" di appartenenza.
  • In molte specie di formiche anche le operaie, sebbene dotate di ovaie atrofizzate, possono riprodursi. Solo che nel loro caso la riproduzione è per partenogenesi (senza fecondazione) e genera maschi (fecondazione aplo-diploide). La presenza di uova della regina inibisce tuttavia questa modalità riproduttiva sia direttamente (cessata produzione di uova dalle operaie) che nella cura (le operaie preferiscono curare le uova/larve della regina rispetto alle proprie).
  • Alcune specie ammettono più regine nello stesso "regno". Le regine sono fecondate nei diversi casi da 1 a decine di maschi.
  • Pogonomyrmex barbatus (®hymenopteragenome.org)
  • In alcune specie come Harpegnathos saltator la formica operaia può accoppiarsi e divenire riproduttivamente attiva (come una regina); può quindi generare sia maschi che femmine. Questa formica operaia è chiamata gamergate.
  • In uno studio sulla Solenopsis invicta (la formica di fuoco, nome derivante dal bruciore conseguente al suo morso)  ricercatori hanno identificato un cromosoma (chiamato S, da social) che determina il tipo di società in cui si aggregano i membri (vedi J. Wang et al, Nature 2013).
    La Solenopsis invicta  ha forme sociali basate sia sulla monoginia che sulla poliginia, una o più regine rispettivamente. Lo studio approfondisce un lavoro precedente che aveva ipotizzato la presenza sul cromosoma S di un singolo supergene (vedi poi), chiamato Gp-9, responsabile della struttura della colonia. In dettaglio, colonie i cui membri hanno la combinazione allelica Gp-9 B/B accettano una sola regina, sempre B/B; colonie di tipo B/b accetteranno la presenza di più regine, il cui genotipo può essere sia B/B che B/b; individui b/b non esistono in quanto il genotipo è letale.
    Il termine supergene è stato oramai superato dalla scoperta che si tratta in realtà di una regione estesa del cromosoma (di 13 Mb, pari al 55% del cromosoma) che contiene una serie di attributi generalmente identificabili come B o b.
    Per i più tecnici aggiungo che lo straordinario linkage esistente (a prova di ricombinazione) è dovuto alla presenza di una grossa inversione all'interno della regione.
    Il cromosoma Sb ha sotto alcuni aspetti molte similitudini con il cromosoma Y. Fra questi la soppressione della ricombinazione, l'accumulo di mutazioni deleterie, la impossibilità di originare progenie vitale yy, etc. A differenza dei mammiferi tuttavia gli imenotteri hanno una determinazione del sesso basata sulla aplodiploidia. Il che si traduce nel fatto che i maschi aploidi Sb sono assolutamente vitali, nonostante la presenza di "b". Un dato che geneticamente si spiega con un effetto quantitativo, ed evolutivamente con una tendenza ad eliminare le mutazioni più deleterie su S. 
  • Alcune formiche si sono specializzate nel ruolo di ... allevatori/coltivatori, il miglior sostantivo per spiegare il rapporto mutualistico che queste hanno sviluppato con afidi (formiche allevatori) e funghi (formiche coltivatori). Fu un antenato comune ad Atta cephalotes e ad Atta echinatior (formiche taglia-foglie), vissuto circa 50 milioni di anni fa, a cominciare a trarre vantaggio dal "coltivare" i funghi. Da allora la coesistenza ecologica si è evoluta in una simbiosi obbligata, come risulta evidente dalla perdita nel genoma di queste formiche dei geni necessari alla biosintesi dell'aminoacido arginina, uno dei mattoni più usati per la costruzione delle proteine. Tale perdita è avvenuta solo nelle sopracitate specie di formiche ed è verosimilmente dovuta alla possibilità delle formiche taglia-foglie di ricavare l'arginina attraverso l'allevamento dei funghi. Una chiara evidenza questa di come il consolidamento di pratiche comportamentali nelle formiche abbia lasciato una traccia genomica ben precisa. Del resto mutazioni analoghe sono avvenute (e tuttora sono presenti con frequenze diverse nelle diverse etnie) nell'uomo con la diffusione dell'allevamento (la tolleranza in età adulta al lattosio ne è un esempio). 
  • Sempre in ambito eusociale e di come si sia regolata la vita all'interno di un formicaio tipo (esistono ovviamente variazioni tra le diverse specie) vale la pena citare il lavoro di Mersch e collaboratori pubblicato su Science, in cui è descritto il cambiamento del ruolo sociale di una formica con l'età. Lo studio è stato effettuando seguendo individualmente un certo numero di formiche Camponotus fellah in 6 diverse colonie per più di 41 giorni. L'analisi ha permesso di evidenziare un totale di 9 milioni di interazioni, cosa che ha rivelato l'esistenza di tre gruppi comportamentali, ognuno dei quali è una unità comportamentale con formiche che si spostano da un gruppo all'altro man mano che invecchiano. In particolare si è osservato il passaggio da "assistenti" della regine a pulitori della nursery (con maggiore libertà di movimento attraverso il nido) fino a diventare raccoglitori che si spostano dentro e fuori la colonia.

Entusiasmante credo. Ma c'è di più !!!
Lo studio del genoma delle formiche promette significativi avanzamenti in diverse aree biomediche, fra cui lo studio dell'invecchiamento.
Le formiche infatti rappresentano un modello ideale in tale campo in quanto all'interno di una data specie esistono incredibili differenze nella vita media attesa. Le regine possono vivere fino a 30 anni mentre le operaie raramente superano i due mesi anche in condizioni "protette"; caratterizzare le differenze molecolari e ambientali sarà quindi importante.
Soprattutto perché l'enorme differenza nella vita media fra operaie e regina non è legata alla genetica (uguale) ma a fattori epigenetici (quindi ambientali).

Altro motivo di interesse è il fatto che le formiche producono sostanze antibiotiche, caratteristica importante data la debolezza nelle formiche del sistema immunitario innato.

Insomma, lo studio degli insetti sociali ci riserverà nuove sorprese nel prossimo futuro.
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Fonti
The genomic impact of 100 million years of social evolution in seven ant species,
    Trends in Genetics, Volume 28, Issue 1, 14-21, 06 October 2011

- Ant Genomics, qui e qui

- Pagine da blog italiani sulle formiche "allevatrici": Cactus & co; ecoalfabeta.



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