Come gli errori "copia-incolla" hanno creato il regno animale / How “Copy-Paste” Errors Crafted the Animal Kingdom
Come gli errori "copia-incolla" hanno creato il regno animale / How “Copy-Paste” Errors Crafted the Animal Kingdom
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
700 milioni di anni fa emerse per la prima volta una creatura straordinaria. Sebbene non fosse molto da vedere per gli standard odierni, l'animale aveva una parte anteriore ed una posteriore, una parte superiore ed una parte inferiore. Si trattava di un adattamento rivoluzionario per l'epoca e che stabiliva il piano corporeo di base che la maggior parte degli animali complessi, compresi gli esseri umani, alla fine avrebbero ereditato.
L'animale poco appariscente risiedeva negli antichi mari della Terra, probabilmente strisciando lungo il fondale marino. Questo era l'ultimo antenato comune dei bilateri, un vasto supergruppo di animali comprendente vertebrati (pesci, anfibi, rettili, uccelli e mammiferi) ed invertebrati (insetti, artropodi, molluschi, vermi, echinodermi e molti altri).
Ad oggi, più di 7.000 gruppi di geni possono essere fatti risalire all'ultimo antenato comune dei bilateri, secondo uno studio condotto su 20 diverse specie bilateriane tra cui esseri umani, squali, effimere, millepiedi e polpi. I risultati sono stati fatti dai ricercatori del Centro per la Regolazione Genomica (CRG) di Barcellona e sono pubblicati oggi sulla rivista Nature Ecology and Evolution .
Sorprendentemente, lo studio ha scoperto che circa la metà di questi geni ancestrali sono stati poi riutilizzati dagli animali per essere utilizzati in parti specifiche del corpo, in particolare nel cervello e nei tessuti riproduttivi. I risultati sono sorprendenti perché i geni antichi e conservati di solito svolgono compiti fondamentali ed importanti necessari in molte parti del corpo.
Quando i ricercatori hanno dato un'occhiata più da vicino, hanno scoperto che la colpa era di una serie di fortuiti errori di "copia e incolla" durante l'evoluzione bilaterale. Ad esempio, c’è stato un momento significativo all’inizio della storia dei vertebrati. Un gruppo di geni tessuto-specifici è apparso per la prima volta in coincidenza con due eventi di duplicazione dell'intero genoma. Gli animali potrebbero conservarne una copia per funzioni fondamentali, mentre la seconda copia potrebbe essere utilizzata come materia prima per l’innovazione evolutiva. Eventi come questi, a vari gradi di scala, si sono verificati costantemente in tutto l’albero evolutivo bilateriano.
“I nostri geni sono come una vasta libreria di ricette che possono essere elaborate in modo diverso per creare o modificare tessuti e organi. Immagina di ritrovarti per sbaglio con due copie di una ricetta per la paella. Puoi conservare e goderti la ricetta originale mentre l'evoluzione modifica la copia extra in modo da preparare il risotto. Ora immagina che l'intero ricettario venga copiato – due volte – e le possibilità che apre all'evoluzione. L’eredità di questi eventi, avvenuti centinaia di milioni di anni fa, sopravvive oggi negli animali più complessi”, spiega Federica Mantica, autrice dell’articolo e ricercatrice presso il Centro di Regolazione Genomica (CRG) di Barcellona.
Gli autori dello studio hanno trovato molti esempi di nuove funzioni tessuto-specifiche rese possibili dalla specializzazione di questi geni ancestrali. Ad esempio, i geni TESMIN e tomb, che hanno avuto origine dallo stesso antenato, hanno finito per svolgere indipendentemente un ruolo specializzato nel testicolo sia nei vertebrati che negli insetti. La loro importanza è evidenziata dal fatto che i problemi con questi geni possono interrompere la produzione di sperma, influenzando la fertilità sia nei topi che nei moscerini della frutta.
La specializzazione dei geni ancestrali ha gettato anche le basi per lo sviluppo di sistemi nervosi complessi. Ad esempio, nei vertebrati, i ricercatori hanno scoperto geni fondamentali per la formazione delle guaine mieliniche attorno alle cellule nervose, essenziali per la rapida trasmissione del segnale nervoso. Negli esseri umani hanno anche identificato FGF17, che si ritiene svolga un ruolo importante nel mantenimento delle funzioni cognitive in età avanzata.
Negli insetti, geni specifici si sono specializzati nei muscoli e nell'epidermide per la formazione delle cuticole, contribuendo alla loro capacità di volare. Nella pelle dei polpi, altri geni si sono specializzati per percepire gli stimoli luminosi, contribuendo alla loro capacità di cambiare colore, mimetizzarsi e comunicare con altri polpi.
Studiando l’evoluzione delle specie a livello tissutale, lo studio dimostra che i cambiamenti nel modo in cui i geni vengono utilizzati in diverse parti del corpo hanno svolto un ruolo importante nella creazione di caratteristiche nuove ed uniche negli animali. In altre parole, quando i geni iniziano ad agire in tessuti specifici, possono portare allo sviluppo di nuovi tratti fisici o abilità, che in definitiva contribuiscono all’evoluzione animale.
“Il nostro lavoro ci porta a ripensare i ruoli e le funzioni che svolgono i geni. Ci mostra che i geni cruciali per la sopravvivenza e che sono stati preservati per milioni di anni possono anche acquisire molto facilmente nuove funzioni nel corso dell’evoluzione. Riflette l’atto di equilibrio dell’evoluzione tra la conservazione dei ruoli vitali e l’esplorazione di nuovi percorsi”, conclude il professore di ricerca dell’ICREA Manuel Irimia, coautore dell’articolo e ricercatore presso il Centro per la regolazione genomica.
ENGLISH
Around half of these ancestral genes have since been repurposed by animals for use in specific parts of the body.
700 million years ago, a remarkable creature emerged for the first time. Though it may not have been much to look at by today’s standards, the animal had a front and a back, a top and a bottom. This was a groundbreaking adaptation at the time, and one which laid down the basic body plan which most complex animals, including humans, would eventually inherit.
The inconspicuous animal resided in the ancient seas of Earth, likely crawling along the seafloor. This was the last common ancestor of bilaterians, a vast supergroup of animals including vertebrates (fish, amphibians, reptiles, birds, and mammals), and invertebrates (insects, arthropods, molluscs, worms, echinoderms and many more).
To this day, more than 7,000 groups of genes can be traced back to the last common ancestor of bilaterians, according to a study of 20 different bilaterian species including humans, sharks, mayflies, centipedes and octopuses. The findings were made by researchers at the Centre for Genomic Regulation (CRG) in Barcelona and are published today in the journal Nature Ecology and Evolution.
Remarkably, the study found that around half of these ancestral genes have since been repurposed by animals for use in specific parts of the body, particularly in the brain and reproductive tissues. The findings are surprising because ancient, conserved genes usually have fundamental, important jobs that are needed in many parts of the body.
When the researchers took a closer look, they found a series of serendipitous ‘copy paste’ errors during bilaterian evolution were to blame. For example, there was a significant moment early in the history of vertebrates. A bunch of tissue-specific genes first appeared coinciding with two whole genome duplication events. Animals could keep one copy for fundamental functions, while the second copy could be used as raw material for evolutionary innovation. Events like these, at varying degrees of scale, occurred constantly throughout the bilaterian evolutionary tree.
“Our genes are like a vast library of recipes that can be cooked up differently to create or change tissues and organs. Imagine you end up with two copies of a recipe for paella by accident. You can keep and enjoy the original recipe while evolution tweaks the extra copy so that it makes risotto instead. Now imagine the entire recipe book is copied – twice - and the possibilities it opens for evolution. The legacy of these events, which took place hundreds of millions of years ago, lives on in most complex animals today,” explains Federica Mantica, author of the paper and researcher at the Centre for Genomic Regulation (CRG) in Barcelona.
The authors of the study found many examples of new, tissue-specific functions made possible by the specialisation of these ancestral genes. For example, the TESMIN and tomb genes, which originated from the same ancestor, ended up independently playing a specialised role in the testis both in vertebrates and insects. Their importance is highlighted by the fact that problems with these genes can disrupt sperm production, affecting fertility in both mice and fruit flies.
The specialisation of ancestral genes also laid some foundations for the development of complex nervous systems. For example, in vertebrates, the researchers found genes critical for the formation of myelin sheaths around nerve cells, which are essential for fast nerve signal transmission. In humans they also identified FGF17, which is thought to play an important role in maintaining cognitive functions into old age.
In insects, specific genes became specialised in muscles and in the epidermis for cuticle formation, contributing to their ability to fly. In the skin of octopuses, other genes became specialised to perceive light stimulI, contributing to their ability to change colour, camouflage and communicate with other octopuses.
By studying the evolution of species at the tissue level, the study demonstrates that changes in the way genes are used in different parts of the body have played a big role in creating new and unique features in animals. In other words, when genes start acting in specific tissues, it can lead to the development of new physical traits or abilities, which ultimately contributes to animal evolution.
“Our work makes us rethink the roles and functions that genes play. It shows us that genes that are crucial for survival and have been preserved through millions of years can also very easily acquire new functions in evolution. It reflects evolution's balancing act between preserving vital roles and exploring new paths,” concludes ICREA Research Professor Manuel Irimia, co-author of the paper and researcher at the Centre for Genomic Regulation.
Da:
https://www.technologynetworks.com/genomics/news/how-copy-paste-errors-crafted-the-animal-kingdom-385749
Commenti
Posta un commento