Come si evolvono le nuove strutture

L’evoluzione viene spesso descritta come un processo di “armeggio”, che si avvale di leggere modifiche a capacità preesistenti. Ma come fanno gli organismi a evolvere strutture completamente nuove?

Un nuovo studio condotto dalla dottoressa Zsuzsanna Izsvák del Centro Max Delbrück per la Medicina Molecolare dell’Associazione Helmholtz (Centro Max Delbrück) e dal professor Laurence Hurst del Centro Milner per l’Evoluzione dell’Università di Bath (Regno Unito) ha dimostrato che l’evoluzione di un nuovo gene è alla base dell’evoluzione di una nuova struttura presente nelle cellule nervose. I ricercatori hanno descritto questo insolito gene, chiamato piggyBac Transposable Element-derived 1, o PGBD1, sulla rivista Molecular Biology and Evolution.

I “geni che saltano” causano mutazioni

PGBD1 è uno dei cinque geni PGBD correlati che mostra una netta somiglianza con l’elemento PiggyBac identificato per la prima volta negli insetti, da cui il nome PiggyBac Transposable Element-derived. Gli elementi PiggyBac sono “geni saltatori”, detti anche trasposoni. Sono in grado di copiare se stessi e di spostarsi da una posizione all’altra del genoma, talvolta introducendo mutazioni o cambiando le funzioni. I trasposoni PiggyBac sono arrivati nella nostra specie per trasferimento orizzontale, in modo simile a come alcuni virus possono integrare il loro genoma nel nostro DNA. Tuttavia, mentre i trasposoni PiggyBac hanno perso nel tempo la loro capacità di saltare nel nostro DNA, cinque geni derivati dagli elementi trasponibili PiggyBac (PGBD1-5) sono stati fissati nell’uomo. “Il nostro obiettivo è scoprire quale funzione potenzialmente utile possano avere i geni PGBD”, spiega Zsuzsanna Izsvák. “Per questo studio ci siamo concentrati su PGBD1”.

Tra i cinque geni PGBD, PGBD1 è unico in quanto ha incorporato anche parti di altri geni, dando vita a una proteina con parti aggiuntive in grado di legare altre proteine e di legare il DNA. PGBD1 è quindi un nuovo gene che è in parte un frammento di gene umano e in parte un gene saltatore inattivo.

PGBD1 regola le cellule nervose e le loro “trappole proteiche”.

Il PGBD1 si trova solo nei mammiferi. È particolarmente attivo nelle cellule che diventano neuroni. I ricercatori hanno innanzitutto studiato dove la proteina PGBD1 si lega al DNA, osservando che si incolla all’interno e intorno ai geni associati allo sviluppo dei nervi. Hanno scoperto che PGBD1 controlla lo sviluppo delle cellule nervose bloccando i geni espressi nelle cellule nervose mature e mantenendo attivi i geni associati alle cellule pre-nerve. Riducendo il livello di PGBD1 nelle cellule pre-nerve, queste ultime hanno iniziato a svilupparsi come cellule nervose.

Uno dei geni che la proteina PGBD1 lega ha attirato particolarmente il loro interesse. NEAT1 è uno strano gene che codifica per un RNA che, insolitamente, non va a formare una proteina. Questo prodotto, un RNA non codificante, costituisce invece la spina dorsale di una struttura fisica, le paraspecchie. Si tratta di piccole strutture presenti nei nuclei di alcune cellule che agiscono come trappole per alcuni RNA e proteine. I ricercatori hanno scoperto che nelle cellule pre-nervose la proteina PGBD1 si lega al gene NEAT1 e ne impedisce il funzionamento. Tuttavia, quando i livelli di PGBD1 diminuiscono, i livelli di RNA NEAT1 aumentano, si formano le paraspecie e le cellule diventano cellule nervose mature. PGBD1 si è quindi evoluto in un regolatore chiave della presenza o dell’assenza di paraspeckles, e quindi in un regolatore dello sviluppo delle cellule nervose.

L’evoluzione non è un’operazione casuale

L’aspetto più intrigante, tuttavia, è che le paraspecchie sono, come PGBD1, anche specifiche per i mammiferi. PGBD1 è quindi un raro esempio di un nuovo gene che si è evoluto per regolare una nuova struttura, anche se piuttosto piccola. Zsuzsanna Izsvák, co-autrice senior del Centro Max Delbrück, afferma: “Si tratta di una scoperta davvero insolita e serendipica. Sappiamo che la duplicazione di geni preesistenti può essere alla base dell’evoluzione delle novità, ma questo è un raro esempio di evoluzione che va oltre il semplice armeggiare. Si tratta di un gene nuovo per controllare una struttura nuova”. La domanda interessante è se questo gene abbia un ruolo anche nei neuroni adulti.

Il coautore, il professor Laurence Hurst del Milner Centre for Evolution dell’Università di Bath, aggiunge: “Abbiamo capito come vengono controllate le paraspecie, ora dobbiamo solo capire come si è evoluta la paraspecie stessa. Questo potrebbe essere un compito molto più difficile, poiché gli RNA non codificanti come NEAT1 tendono a evolversi rapidamente e quindi sono difficili da rintracciare nel tempo evolutivo”.

L’accoppiamento tra NEAT1 e PGBD1 potrebbe essere coinvolto anche nella schizofrenia. Mentre NEAT1 è stato precedentemente associato a questa malattia neurologica, il team ha identificato alcune mutazioni in PGBD1 che hanno potuto dimostrare essere comuni anche nei pazienti con schizofrenia: una di queste mutazioni modifica la proteina PGBD1, mentre altre possono controllarne il livello. Primo autore il dottor Tamas Raskó, all’epoca dello studio ricercatore post-dottorato nel gruppo di Zsuzsanna Izsvák: “È sicuramente più di una coincidenza che entrambi i geni siano coinvolti nella schizofrenia. È molto insolito trovare una mutazione che cambia una proteina che è accoppiata a questa malattia. Gli effetti di questa mutazione devono essere una priorità per ulteriori studi”.