Animali così diversi tra loro come vespe e serpenti hanno adottato meccanismi molecolari sorprendentemente simili per espellere le tossine dalle loro cellule specializzate. È quanto emerge da uno studio condotto dagli scienziati del SIB, che hanno effettuato la prima analisi comparativa dei profili di espressione genica delle ghiandole velenifere. Questo risultato, pubblicato oggi su Proceedings of the National Academy of Sciences, è particolarmente sorprendente se si considera che le «fabbriche di veleno» si sono sviluppate da zero in animali diversi, anziché essere state ereditate da un antenato comune.
Gli animali velenosi rappresentano circa il 15% della biodiversità animale globale stimata. Si trovano sia nelle profondità marine che nelle terre più aride e tutti hanno sviluppato in modo indipendente la capacità di secernere veleno. E ora sembra che tutte le fabbriche di veleno utilizzino meccanismi molecolari simili, sia che ciò che producono provochi semplicemente una sensazione di prurito, sia che causi la paralisi totale dei muscoli cardiaci.
Una sorprendente somiglianza molecolare tra animali evolutivamente distanti
Per gli organi essenziali con la stessa origine evolutiva (cioè ereditati da un antenato comune), come le braccia umane e le ali dei pipistrelli, la somiglianza genetica è del tutto prevedibile. Le ghiandole velenifere, al contrario, sono strutture altamente specializzate che si sono evolute in modo indipendente e talvolta di recente in una vasta gamma di animali. E mentre il braccio umano e l'ala del pipistrello sono entrambi formati dallo stesso tessuto, le ghiandole velenifere derivano dal tessuto riproduttivo nelle vespe e dalle parti boccali nei serpenti. Infine, le fabbriche di veleno sono note soprattutto per la loro capacità di secernere un cocktail di tossine che hanno alcuni dei geni in più rapida evoluzione. Per tutti questi motivi, ci si potrebbe aspettare che nelle ghiandole velenifere siano coinvolti diversi percorsi molecolari.
Una sorprendente somiglianza molecolare tra animali evolutivamente distanti
Per gli organi essenziali con la stessa origine evolutiva (cioè ereditati da un antenato comune), come le braccia umane e le ali dei pipistrelli, la somiglianza genetica è del tutto prevedibile. Le ghiandole velenifere, al contrario, sono strutture altamente specializzate che si sono evolute in modo indipendente e talvolta di recente in una vasta gamma di animali. E mentre il braccio umano e l'ala del pipistrello sono entrambi formati dallo stesso tessuto, le ghiandole velenifere derivano dal tessuto riproduttivo nelle vespe e dalle parti boccali nei serpenti. Infine, le fabbriche di veleno sono note soprattutto per la loro capacità di secernere un cocktail di tossine che hanno alcuni dei geni in più rapida evoluzione. Per tutti questi motivi, ci si potrebbe aspettare che nelle ghiandole velenifere siano coinvolti diversi percorsi molecolari.
Da qui la sorpresa degli autori quando hanno confrontato i geni espressi in 20 specie velenose del regno animale, dai pesci alle vespe e dagli scorpioni ai mammiferi. "Quello che abbiamo scoperto è una forte convergenza nei livelli globali di espressione genica delle ghiandole velenifere in animali molto diversi tra loro", afferma Giulia Zancolli, ricercatrice post-dottorato Marie Skłodowska-Curie presso il SIB, membro del team guidato da Marc Robinson-Rechavi e Frédéric Bastian (UNIL). "Sembra che la natura abbia semplicemente trovato il modo ottimale per consentire alle cellule di svolgere la loro specifica funzione di secrezione del veleno".
Confronto su larga scala dell'espressione genica in 20 specie con strumenti software e database al SIB
Tra le altre cose, gli scienziati hanno dovuto raggruppare le sequenze proteiche delle specie selezionate in "ortogruppi" correlati al veleno, ovvero insiemi di geni ortologici presenti in tutte le specie. Hanno effettuato questo raggruppamento utilizzando OrthoDB e suggerimenti sulla funzione delle proteine provenienti da UniProtKB/SwissProt. Per individuare le entità anatomiche in cui erano arricchiti i moduli genici specifici dei tessuti, hanno confrontato i livelli di espressione genica riflessi dai set di dati RNAseq disponibili al pubblico e si sono affidati allo strumento TopAnat della risorsa Bgee per il modello di espressione genica.
Quali sono i prossimi passi previsti nella ricerca?
Nonostante la diffusa presenza di sistemi veleniferi nel regno animale e l'attenzione medica rivolta alle tossine che producono, sappiamo ancora molto poco sulle loro origini e basi genetiche. I prossimi passi della ricerca saranno quelli di colmare le lacune nella conoscenza dei meccanismi genetici alla base della comparsa e dello sviluppo delle tossine. «Questo studio rappresenta il primo passo verso la comprensione dei meccanismi molecolari alla base della ripetuta evoluzione di uno dei tratti adattativi di maggior successo nel regno animale», conclude Zancolli.
Reference(s)
Zancolli G et al. Evoluzione convergente dei trascrittomi delle ghiandole velenifere nei Metazoi. PNAS, 2022.
