I geni perduti dei vampiri / The Genes Vampires Lost
I geni perduti dei vampiri / The Genes Vampires Lost
Un'illustrazione di organi e siti anatomici in cui i 10 geni mancanti scoperti di recente svolgono ruoli importanti / An illustration of organs and anatomical sites where the 10 newly discovered missing genes play important roles
Secondo una prestampa, il pipistrello vampiro comune manca di 13 geni presenti in altre specie di pipistrelli, che possono aiutare a spiegare la loro dieta di solo sangue ed altri aspetti curiosi del loro stile di vita.
I pipistrelli vampiri hanno una dieta stravagante. Come suggerisce il nome, si nutrono esclusivamente del sangue di altri animali che cacciano nell'oscurità. Tuttavia, ottenere tutti i loro nutrienti da questa fonte cruenta non è facile. Il sangue è ricco di proteine, ma particolarmente leggero di grassi e zuccheri. Studi precedenti, incluso un precedente genoma di riferimento, hanno cercato di capire come i pipistrelli vampiri si siano adattati a vivere di questa dieta particolare, ma un'analisi di una nuova sequenza genomica ancora più completa ed accurata per la specie, caricata come preprint su bioRxiv il 19 ottobre, fornisce nuovi spunti su questa domanda.
Confrontando il genoma di qualità di riferimento appena assemblato del pipistrello vampiro comune ( Desmodus rotundus ) - una delle tre specie di pipistrelli vampiri esistenti - con 25 genomi per altri tipi di pipistrelli sono stati rilevati 13 geni che mancavano esclusivamente in questa specie. Queste perdite potrebbero aver contribuito alla preferenza e alla capacità dei pipistrelli vampiri di mangiare sangue ed ad altri tratti, come le loro notevoli attitudini cognitive. Anche tra i pipistrelli, i pipistrelli vampiri sono considerati animali intelligenti e sociali; sono noti per rigurgitare il sangue ai compagni di posatoio che rischiano la fame, specialmente a coloro che hanno condiviso il sangue con loro in passato.
Il primo genoma della specie, sequenziato insieme al metagenoma intestinale degli animali, ha rivelato alcune firme genomiche associate al sistema sanguigno e ha evidenziato il ruolo dei microbi intestinali nel fornire nutrienti non prontamente disponibili nel sangue. Ma mentre quello studio "ci ha fornito molte informazioni" all'Università della California, Berkeley, il bioinformatico Yocelyn Gutiérrez-Guerrero (che non era coinvolto in nessuna delle due analisi genomiche) dice a The Scientist in spagnolo, la maggiore risoluzione e profondità di sequenziamento del nuovo genoma, rese possibili da tecnologie di sequenziamento migliorate, offre "maggiori dettagli del panorama genomico" ed una maggiore comprensione degli adattamenti del pipistrello per l'alimentazione del sangue.
La nuova analisi, che non è stata ancora sottoposta a revisione paritaria, ha confrontato D. rotundus con 25 specie di pipistrelli, 16 in più di quelle disponibili al momento della precedente sequenza del genoma. In particolare, il nuovo studio ha incluso sei specie recentemente sequenziate della famiglia dei pipistrelli vampiri, i pipistrelli dal naso a foglia (Phyllostomidae). L'inclusione di questi parenti, in particolare di alcuni dei lignaggi fratelli più stretti della specie, “ci permette di individuare esattamente cosa è successo su questo ramo . . . portando ai pipistrelli vampiri", afferma Michael Hiller, genomista presso il LOEWE Center for Translational Biodiversity Genomics in Germania e coautore del preprint.
Perdere un gene significa non averne più una copia funzionale. Ciò potrebbe accadere eliminandolo completamente dal genoma o avendone i resti per i quali il frame di lettura è "distrutto così tanto con frameshifts, codoni di arresto precoce ed altre mutazioni" che è improbabile che il gene codifichi una proteina funzionale, dice Hiller.
Lo sviluppo di metodi per rilevare le perdite geniche è impegnativo. Errori di sequenziamento, problemi di allineamento o cambiamenti evolutivi che modificano i geni ma non li inattivano potrebbero comportare un'identificazione errata della funzionalità o meno di un gene. I primi studi sulle perdite genetiche comportavano molta cura manuale. Negli ultimi anni, Hiller ed il suo gruppo hanno lavorato per rilevare accuratamente le perdite geniche su scala più ampia nelle specie di mammiferi, rivelando il ruolo di questo cambiamento genomico in vari adattamenti fenotipici. Hiller spiega che ora il suo gruppo voleva indagare "se la perdita di geni ancestrali potrebbe aver contribuito [ai] cambiamenti fisiologici e metabolici" associati alla "dieta molto speciale" del pipistrello vampiro.
Le perdite geniche spesso seguono le specializzazioni dietetiche "quando alcuni geni non sono più necessari nella vita quotidiana [di un animale]", scrive Huabin Zhao, un biologo evoluzionista molecolare dell'Università di Wuhan in Cina che non ha partecipato al nuovo studio, in una e-mail a The Scienziato. Prima del sequenziamento del primo genoma del pipistrello vampiro, Zhao ed i suoi colleghi avevano identificato le perdite dei geni dei recettori del gusto per i sapori dolci e amari nei pipistrelli, che rappresentano 3 delle 13 perdite annotate nel preprint.
I restanti 10 non erano stati segnalati in precedenza, secondo gli autori. Molti di loro offrono suggerimenti su come i pipistrelli ottengono il massimo nutrimento dal sangue, notoriamente povero di nutrienti, afferma Gutiérrez-Guerrero.
Tra i geni persi da D. rotundus ce ne sono due probabilmente coinvolti nell'aumento della secrezione di insulina. I pipistrelli potrebbero non aver bisogno di molta insulina data la bassa quantità di zucchero nella loro dieta. In effetti, è stato precedentemente dimostrato che non secernono molta insulina, afferma Hiller, che potrebbe derivare dalla necessità di mantenere disponibile nel flusso sanguigno il limitato glucosio ottenuto dalla loro dieta.
I pipistrelli mancano anche di un gene che si ritiene sia coinvolto nell'inibizione della tripsina, un enzima che partecipa alla digestione e all'assorbimento delle proteine. Livelli più elevati di attività della tripsina potrebbero in definitiva aiutarli a digerire la loro dieta ricca di proteine. Nel frattempo, la perdita del gene REP15 potrebbe aumentare l'escrezione di ferro, impedendo ai pipistrelli di essere avvelenati dal metallo, che è abbondante nel sangue.
Alcune delle nuove perdite genetiche identificate parlano di altri aspetti dello stile di vita degli animali, suggeriscono gli autori. Uno di loro sembra essere collegato alle capacità sociali dei pipistrelli vampiri: mancano di un gene che degrada il 24S-idrossicolesterolo, un metabolita del colesterolo noto per svolgere vari ruoli nello sviluppo e nel funzionamento del cervello. Questa perdita potrebbe significare che i pipistrelli hanno livelli più elevati del metabolita nel cervello, cosa che ha dimostrato di migliorare la memoria spaziale nei topi e che potrebbe spiegare l'eccezionale memoria sociale dei pipistrelli.
Anche se D. rotundus è una specie iconica che è stata ben studiata a livello fisiologico e morfologico, rimangono avvertimenti e incertezze sulle conseguenze funzionali delle perdite geniche, perché "abbiamo ancora molte lacune nelle nostre conoscenze", afferma Hiller.
Ad esempio, la nuova analisi ha indicato che il gene antimicrobico RNASE7 è funzionalmente assente nei vampiri, mentre la precedente analisi genomica ha suggerito che fosse in selezione positiva: le mutazioni rilevate sono state interpretate come un aumento della sua capacità battericida. I risultati contrastanti suscitano più domande. Zhao suggerisce che ciò potrebbe significare che le mutazioni inattivanti rilevate dal gruppo di Hiller non sono presenti in tutti gli individui della specie; Hiller dice che questo sarebbe "molto improbabile" dato il numero di mutazioni presenti in RNASE7 . Ma se RNASE7 è davvero non funzionale in D. rotundus, studi futuri dovranno identificare esattamente quali agenti patogeni sono presi di mira dalla sua proteina e cosa fa in altre specie di pipistrelli.
Hiller dice che lui ed il suo gruppo vorrebbero anche esaminare la selezione, le duplicazioni geniche, l'espansione delle famiglie geniche e le differenze nell'espressione genica in futuro, per ottenere “un quadro più completo dei cambiamenti genomici coinvolti nell'alimentazione del sangue. " Inoltre, Hiller dice che lui ed i suoi colleghi stanno lavorando sugli assemblaggi del genoma per le altre due specie di pipistrelli vampiri per vedere se condividono le perdite genetiche con D. rotundus .
ENGLISH
According to a preprint, the common vampire bat lacks 13 genes present in other bat species, which may help explain their blood-only diet and other curious aspects of their lifestyle.
Vampire bats have an extravagant diet. As their name suggests, they feed exclusively on blood from other animals that they hunt in the dark. Getting all of their nutrients from this gory source is not easy, though. Blood is rich in protein, but notably light on fat and sugars. Previous studies, including an earlier reference genome, have sought to understand how vampire bats adapted to live off this peculiar diet, but an analysis of a new, even more complete and accurate genome sequence for the species, uploaded as a preprint to bioRxiv October 19, lends new insights into this question.
Comparing the newly assembled, reference-quality genome of the common vampire bat (Desmodus rotundus)—one of the three extant vampire bat species—to 25 genomes for other kinds of bats revealed 13 genes that were missing exclusively in this species. These losses may have contributed to the vampire bats’ preference and ability to dine on blood and to other traits, such as their remarkable cognitive aptitudes. Even among bats, vampire bats are considered smart, social animals; they’re known to regurgitate blood to roostmates facing starvation, especially to those who shared blood with them in the past.
The species’ first genome—sequenced together with the animals’ gut metagenome—revealed some genomic signatures associated with sanguivory, and highlighted the role of gut microbes in providing nutrients not readily available in blood. But while that study “gave us a lot of information” University of California, Berkeley, bioinformatician Yocelyn Gutiérrez-Guerrero (who was not involved in either genomic analysis) tells The Scientist in Spanish, the new genome’s higher resolution and sequencing depth, enabled by improved sequencing technologies, offers “more detail of the genomic landscape” and greater insight into the bat’s adaptations for blood feeding.
The new analysis, which has not yet undergone peer review, compared D. rotundus with 25 bat species, 16 more than were available at the time of the previous genome sequence. In particular, the new study included six recently sequenced species from the vampire bat’s family, the leaf-nosed bats (Phyllostomidae). The inclusion of these relatives, especially some of the species’ closest sister lineages, “allows us to pinpoint what exactly happened on this branch . . . leading to the vampire bats,” says Michael Hiller, a genomicist at the LOEWE Centre for Translational Biodiversity Genomics in Germany and coauthor of the preprint.
Losing a gene means not having a functional copy of it anymore. This could happen by having it entirely deleted from the genome or by having remnants of it for which the reading frame is “destroyed so much with frameshifts, early stop codons, and other mutations” that the gene is unlikely to code for a functional protein, says Hiller.
Developing methods to detect gene losses is challenging. Sequencing errors, alignment problems, or evolutionary changes that modify genes but do not inactivate them could result in misidentifying whether or not a gene is functional. Early studies on gene losses involved a lot of manual curation. In recent years, Hiller and his team have been working on accurately detecting gene losses on a larger scale in mammalian species, revealing the role of this genomic change in various phenotypic adaptations. Hiller explains that now, his team wanted to investigate “whether the loss of ancestral genes could have contributed [to the] physiological and metabolic changes” associated with the “very special diet” of the vampire bat.
Gene losses often follow dietary specializations “when some genes are not needed in an [animal’s] daily life” anymore, writes Huabin Zhao, a molecular evolutionary biologist at Wuhan University in China who did not participate in the new study, in an email to The Scientist. Prior to the sequencing of the first vampire bat genome, Zhao and his colleagues had identified losses of taste receptor genes for sweet and bitter flavors in the bats, which account for 3 of the 13 losses noted in the preprint.
The remaining 10 had not been previously reported, according to the authors. Many of them offer hints as to how the bats get the most nutrition from blood, which is notoriously nutrient poor, says Gutiérrez-Guerrero.
Among the genes lost by D. rotundus are two likely involved in boosting insulin secretion. The bats may not need much insulin given the low amount of sugar in their diet. In fact, it was previously shown that they don’t secrete much insulin, says Hiller, which could stem from a need to keep the limited glucose obtained from their diet available in their bloodstream.
The bats also lack a gene believed to be involved in inhibiting trypsin, an enzyme which participates in protein digestion and absorption. Higher levels of trypsin activity could ultimately help them digest their protein-rich diet. Meanwhile, the loss of the REP15 gene could be boosting iron excretion, keeping the bats from becoming poisoned by the metal, which is abundant in blood.
Some of the newly identified gene losses speak to other aspects of the animals’ lifestyle, the authors suggest. One of them appears to be connected to vampire bats’ social abilities: they lack a gene that degrades 24S-hydroxycholesterol, a cholesterol metabolite known to play various roles in brain development and functioning. This loss may mean the bats have higher levels of the metabolite in their brains, something shown to improve spatial memory in mice, and which might account for the bats’ exceptional social memory.
Even though D. rotundus is an iconic species that has been well studied at the physiological and morphological level, caveats and uncertainties about the functional consequences of the gene losses remain, because “we still have many gaps in our knowledge,” says Hiller.
For instance, the new analysis indicated that the antimicrobial gene RNASE7 is functionally absent in the vampires, while the previous genomic analysis suggested it was under positive selection—the mutations detected were interpreted as boosting its bactericidal capacity. The conflicting findings spur more questions. Zhao suggests this could mean that the inactivating mutations detected by Hiller’s team are not present in all individuals of the species; Hiller says this would be “very unlikely” given the number of mutations present in RNASE7. But if RNASE7 is indeed nonfunctional in D. rotundus, future studies will need to identify exactly what pathogens are targeted by its protein and what it does in other bat species.
Hiller says he and his team would also like to look at selection, gene duplications, the expansion of gene families, and differences in gene expression in the future, to obtain “a more complete picture of the genomic changes that are involved in blood feeding.” Additionally, Hiller says that he and his colleagues are working on genome assemblies for the other two species of vampire bat to see whether they share gene losses with D. rotundus.
Da:
https://www.the-scientist.com/news-opinion/the-genes-vampires-lost-69357?utm_content=202677122&utm_medium=social&utm_source=facebook&hss_channel=fbp-212009668822281&fbclid=IwAR3kQjOsB3_BnT1GjS1NcmSkcDFg1zx7scrOS0zOQmC7xTRIGiU-827SmIg
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