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lunedì 23 aprile 2018

Sequenziato il genoma della salamandra messicana: istruzioni per la rigenerazione dei tessuti / Sequencing the genome of the Mexican salamander: instructions for tissue regeneration

Sequenziato il genoma della salamandra messicana: istruzioni per la rigenerazione dei tessutiSequencing the genome of the Mexican salamander: instructions for tissue regeneration



Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa



È stato sequenziato l’intero genoma della salamandra Ambystoma mexicanum. Questo genoma, che è il più lungo mai sequenziato, promette di essere un potente strumento per studiare le basi molecolari per la ricrescita degli arti e altre forme di rigenerazione.

La neotenia è stata osservata in tutte le famiglie di anfibi urodeli come la salamandra e l'axolotl (larva di Ambystoma mexicanum) in cui sembra essere un meccanismo di sopravvivenza solo in ambienti acquatici di montagna e di collina con poco nutrimento e in particolare con poco iodio. In questo modo le salamandre possono riprodursi e sopravvivere nella forma piccola e meno dispendiosa dello stadio larvale, il quale essendo acquatico richiede cibo di minore qualità e quantità rispetto al più grosso adulto, che è terrestre e carnivoro. Se le larve di salamandra ingeriscono una sufficiente quantità di iodio, direttamente o indirettamente attraverso il cannibalismo, rapidamente iniziano la metamorfosi e si trasformano in forme adulte terrestri più grosse e con maggiori richieste alimentari.

Un animale neotenico


L'aspetto bizzarro dell'axolotl è ascrivibile alla sua biologia; si tratta infatti di una specie neotenica, ovvero, in grado di raggiungere la maturità sessuale – e quindi di riprodursi – mantenendo la morfologia larvale senza metamorfosare. È come se una rana decidesse di restare girino e riprodursi in questo stadio, anziché trasformarsi in un animale terrestre (seppur fortemente legato all'acqua). Perché l'axolotl si è evoluto in questo modo? La risposta va ricercata nel suo habitat naturale, dove il cibo di cui si nutre (pesci e crostacei) può risultare piuttosto scarso. La forma larvale richiede un minor contributo energetico per sostenersi, dunque questi animali hanno privilegiato una forma meno dispendiosa per sopravvivere. Nonostante ciò, nel caso in cui vi fossero particolari condizioni di stress, magari per mancanza di ossigeno o sovrappopolazione, anche l'axolotl può effettuare la metamorfosi in animale terrestre.



Riproduzione

Si riproduce per pedogenesi. Le larve prodotte in un primo tempo non porteranno a individui maturi, solamente da larve venute fuori da una seconda riproduzione si avranno individui adulti.

Rigenerazione dei tessuti

Se danneggiato, questo animale è capace di rigenerare senza cicatrici arti, polmoni, midollo spinale e persino parti del cervello. Sembra che questa caratteristica molto particolare derivi da delle cellule molto simili a quelle staminali adulte presenti nei mammiferi.

Il segreto della rigenerazione


Gli anfibi sono noti per essere i vertebrati con le migliori capacità di rigenerazione, ma l'axolotl è un vero e proprio ‘campione'. Può infatti ricreare velocemente e senza cicatrici interi organi, arti, il midollo spinale, vari tessuti e persino parte del cervello, se asportati. Non è un caso che si tratti di un organismo modello utilizzato di frequente nella sperimentazione. Le sue capacità rigenerative sono così efficaci che non rigetta i trapianti di tessuti prelevati da altri esemplari, inoltre può persino sviluppare un numero superiore di zampe e teste, che ne aumentano l'appeal in ambito collezionistico.




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 affascinantepuò 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.

ENGLISH

The entire genome of the salamander Ambystoma mexicanum has been sequenced. This genome, which is the longest ever sequenced, promises to be a powerful tool for studying the molecular basis for the re-growth of the limbs and other forms of regeneration.

Neoteny was observed in all urodel amphibian families such as the salamander and axolotl (larva of Ambystoma mexicanum) in which it appears to be a survival mechanism only in mountain and hill water environments with little nutrition and in particular with little iodine. In this way the salamanders can reproduce and survive in the small and less expensive form of the larval stage, which being aquatic requires food of lower quality and quantity than the largest adult, which is terrestrial and carnivorous. If the salamander larvae ingest a sufficient amount of iodine, directly or indirectly through cannibalism, they quickly start metamorphosis and turn into larger adult landforms with greater food requirements.

A neotenic animal

The bizarre appearance of the axolotl is ascribable to its biology; it is in fact a neotenic species, that is, able to reach sexual maturity - and therefore to reproduce - maintaining the larval morphology without metamorphosing. It is as if a frog decides to remain tadpole and reproduce at this stage rather than transform itself into an earthly animal (albeit strongly linked to water). Why did the axolotl evolve this way? The answer must be found in its natural habitat, where the food it feeds on (fish and crustaceans) can be rather poor. The larval form requires less energy to sustain itself, so these animals have favored a less expensive form to survive. Despite this, in case there were particular stress conditions, perhaps due to lack of oxygen or overpopulation, axolotl can also perform metamorphosis in terrestrial animals.

Reproduction

It reproduces by pedogenesis. The larvae produced at first will not lead to mature individuals, only from larvae coming out of a second reproduction will be adult individuals.

Regeneration of tissues

If damaged, this animal is able to regenerate without scars limbs, lungs, spinal cord and even parts of the brain. It seems that this very particular characteristic derives from cells very similar to those of adult stem cells in mammals.


The secret of regeneration

Amphibians are known to be vertebrates with the best regeneration abilities, but the axolotl is a true 'champion'. It can in fact quickly and without scarring reconstruct entire organs, limbs, spinal cord, various tissues and even part of the brain, if removed. It is no coincidence that this is a model organism used frequently in experimentation. Its regenerative capacities are so effective that it does not reject the transplants of tissues taken from other specimens, moreover it can even develop a greater number of legs and heads, which increase their appeal in the collectibles field.
Among the existing tetrapods, the salamanders (Ordine Urodela) are the only organisms that have the ability to completely regenerate the limbs and the tail.
Molecular studies have found that the regenerative capacity is evolutionarily and mechanistically connected with the model of development of the arts that in salamanders differs from that of all other current tetrapods, but that, as indicated by the fossil data, was the ancestral condition of the lived amphibians over 300 million years ago (Pikaia has already talked about it here). This characteristic has been lost at least once in the lineage leading to amniotes.
Because of these peculiarities, the salamanders are used as precious biological models for the studies on the development of nuclear reprogramming, regeneration and evolution. Among the salamanders, the model species par excellence, used in the laboratory for more than 150 years, is Ambystoma mexicanum (commonly called axolotl) that can regrow within a few weeks a complete limb of bones, muscles and nerves in the right places and even more fascinating, it can repair the spinal cord and the retinal tissue.
To study the cellular and molecular biology of limb and spinal cord regeneration in A. mexicanum and how these mechanisms have evolved, an international research group led by Elly Tanaka of the Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics ( MPI-CBG) of Dresden, developed a large molecular toolkit that allowed them to identify stem cells responsible for the regeneration process and the signals that drive the process.
However, to study the regulation and evolution of the genes that control this process, and to find out why it is so limited in most species, it was necessary to have access to the information contained in the genome. Until now only the genome of another salamander, Pleurodeles waltl, is available, which, unlike axolotl, always performs metamorphosis in an adult animal, and activates a different tissue regeneration model.
The genome of A. mexicanum had never been completely sequenced because of the technical difficulties related to its size: with 32 billion base pairs, it is more than almost a third larger than that of P. waltl (20 billion bases) and more than ten times larger than the human genome and the large amount of repeated sequences inside it created considerable difficulties in the assembly phase carried out with the traditional bioinformatic methods. Recently, Tanaka and colleagues succeeded in obtaining the first complete mapping of the A. mexicanum genome and the first results of the analysis have been published in Nature. The gene sequencing is based on the possibility to divide the entire genome into random fragments a few tens of bases that can be copied thousands of times accurately and efficiently. Like in a puzzle. The complete sequence is then reconstructed by "aligning" the fragments that have the same sequence at the ends. This type of method is generally very efficient and reliable, but it can generate errors and "holes" in the alignment of the gene regions that present the same sequence repeated several times, as in the case of A. mexicanum.
To overcome this problem, the Tanaka research group has sequenced the A. mexicanum genome twice: once starting from short fragments, and another time starting from longer fragments, to incorporate repeated sequences and provide a sort of "scaffolding" on which to then align the short fragments. To assemble the different set types of sequences obtained, the researchers also developed a new algorithm (called MARVEL).
The first analyzes on the genome of A. mexicanum thus assembled have highlighted some characteristics that seem to indicate in what constitutes its uniqueness.
A first surprise was the discovery that an essential gene for development called PAX3 is completely absent from the A. mexicanum genome and its functions have been detected by another gene called PAX7. Both genes play a key role in the muscular and neural development of all vertebrates. The researchers then identified some genes that appear to be exclusive to A. mexicanum and other species of amphibians capable of some form of regeneration and have discovered that these genes are specifically expressed in the regenerating tissue of the limbs.
The sequencing then allowed to establish that the large size of the genome of this species of salamander is due to the increase in the LTR retrotransposon sequences, ie of DNA fragments capable of transcribing autonomously into an RNA intermediate and consequently replicating in different positions within the genome.
Another peculiarity that has aroused the interest of the researchers has been to note that, in contrast to the expansion of the dimensions of the introns (ie the non-coding regions) of most of the genes, in A. mexicanum the genes (as for example HOXA) who are involved in limb regeneration tended to have introns of similar size to those of other vertebrates. This feature could be the result of a positive selection that would keep the length of the genes responsible for regeneration stable, perhaps to make transcription faster and more efficient.
These are just the first information that the sequencing of A. mexicanum has revealed. Now this powerful resource for understanding the mechanisms of regeneration is available to researchers all over the world.

Da:

http://pikaia.eu/sequenziato-il-genoma-della-salamandra-messicana-istruzioni-per-la-rigenerazione-dei-tessuti/

 https://scienze.fanpage.it/e-rosa-sorride-e-sembra-un-cartone-animato-quanto-e-buffo-l-axolotl/

https://it.wikipedia.org/wiki/Ambystoma_mexicanum