Sopravvivere senza fare sesso per 18 milioni di anni
Un piccolo verme ci è riuscito incorporando i suoi cromosomi, clonandosi e conservando la variabilità genetica
[19 Ottobre 2017]
Un team di scienziati della New York University e della Duke University gruppo ha sequenziato per la prima volta un piccolo verme che appartiene a un gruppo di specie esclusivamente asessuate che hanno avuto origine circa 18 milioni di anni fa, ne è venuto fuori lo studio “Genome Architecture and Evolution of a Unichromosomal Asexual Nematode” pubblicato su Current Biology che rivela che questo nematode appartiene a una delle più antiche linee di animali asessuati conosciute e come è riuscito a sfuggire all’estinzione che di solito è il destino che l’evoluzione riserva agli organismi che non fanno sesso.
Uno degli autori, il biologo David Fitch della New York University, spiega che «Gli scienziati hanno cercato di capire come alcuni animali possano sopravvivere per milioni di anni senza sesso perché una tale astinenza stretta e di così lunga durata è molto rara nel mondo degli animali. Questo fenomeno è significativo per comprendere la genetica evolutiva in quanto contrasta con la visione ampiamente accettata che la riproduzione sessuale è necessaria per eliminare mutazioni dannose e per adattarsi ad un ambiente mutevole. Ad esempio, nel breve termine, le copie ereditarie dei geni dei genitori di solito forniscono una buona assicurazione contro le mutazioni che potrebbero sopprimere la funzione di una di quelle copie di geni – un processo chiamato complementazione. A lungo termine, produrre la prole attraverso il rapporto sessuale permette di adattarsi nel tempo alle mutevoli condizioni, perché produce variazioni attraverso il rimescolamento genetico o la ricombinazione, tuttavia, perché tale rimescolamento non si verifica all’interno delle specie asessuate, tendono ad estinguersi rapidamente. In biologia, era un mistero di lunga data come alcuni animali asessuati siano sopravvissuti per tante generazioni».
Lo studio, finanziato in parte da National institutes of health, dall’Howard Hughes medical nstitute e dalla National science foundation Usa, è il frutto del sequenziamento del verme Diploscapter pachys, una piccola creatura trasparente strettamente legata al Caenorhabditis elegans , un organismo comunemente usato per la ricerca biomedica. Tuttsavia, a differenza di C. elegans, D. pachys è asessuato.
Realizzando il sequenziamento, gli scienziati statunitensi hanno utilizzato il DNA per realizzare una genealogia che ha rivelato D. pachys appartiene a un gruppo di specie esclusivamente asessuate che risalgono a circa 18 milioni di anni fa.
Esaminando più approfonditamente la riproduzione di D. pachys riproduce, il team di ricerca ha rilevato che, «Come in molti altri organismi asessuati, il processo di produzione di cellule germinali – spermatozoi o ovai – è stato modificato per prevenire la ricombinazione o il riordino che deriva dalla riproduzione sessuale». Fitch aggiunge: «Fondamentalmente, gli animali stanno clonando se stessi».
Inoltre, quando i ricercatori hanno studiato i cromosomi cdel Diploscapter pachys hanno scoperto qualcosa di ancora più sorprendente: c’era solo una coppia di cromosomi. «I parenti stretti di questo nematode, come C. elegans, hanno 5-7 cromosomi, ma una coppia di singoli cromosomi – dicono gli scienziati – è così rara negli organismi superiori che solo altre due specie animali sono conosciute per avere questa condizione: una formica e un nematode parassita».
I ricercatori hanno deciso di sequenziare il genoma di D. pachys per testare come è stato strutturato il singolo cromosoma, sia attraverso la perdita o la fusione di più cromosomi ancestrali. I loro risultati hanno mostrato che «D. pachys fonde i sei cromosomi del suo antenato in un singolo cromosoma e salta la prima divisione della meiosi, dove i geni vengono ricombinati, in modo che la sua progenie mantiene l’elevata diversità genetica dei genitori».
Fitch conclude: «Quindi, il mistero della sua longevità sembra in gran parte risolto: D. pachys supera gli svantaggi della riproduzione asessuale mantenendo la variazione genetica e, con essa, la complementazione. Ironia della sorte, questo viene compiuto assicurandosi che non vi sia alcuna ricombinazione tra le copie del gene. Se esistesse, le differenze tra le copie di geni potrebbero andare perse. Infatti, D. pachys ha eliminato diversi geni necessari per i macchinari di ricombinazione che esistono negli organismi sessuati».
Un’altra autrice dello studio, Kristin Gunsalus, una genetista della New York University, spiega su Smithsonian Magazine che «Tutti gli organismi accumulano mutazioni. Di solito, i macchinario che copia il DNA fa alcuni errori ogni volta che una cellula si divide. Nell’uomo ci sono circa 0,6 errori per divisione cellulare. Il pensiero comune è che le mutazioni “cattive” si accumulano e si concentrino se non viene mantenuta la diversità genetica». Si pensa che il sesso aiuti a prevenire quella che alcuni ricercatori hanno chiamato “mutational meltdown”. Il sesso consente agli organismi di mescolare e abbinare i geni, aiutando le specie ad adattarsi ai cambiamenti ambientali. Studi su organismi che possono riprodursi sessualmente e asessualmente hanno scoperto che il sesso aiuta una specie ad adattarsi ai parassiti pericolosi e ad abbassare il rischio di mutazioni “cattive”.
Gunsalus aggiunge: «In generale, la gente pensa che la grande innovazione degli animali e delle piante – gli eucarioti – è che hanno evoluto la riproduzione sessuale. Ma il sesso è anche un sacco di lavoro. Per prima cosa, devi trovare un compagno. Spesso devi spendere tempo e risorse nella competizione con gli altri per avere il compagno. E solo la metà della popolazione – le femmine – sono in grado di riprodursi. E’ davvero inefficiente».
Benjamin Normark , un biologo evoluzionista dell’università del Massachusetts-Amherst che studia l’evoluzione di sistemi genetici inusuali, soprattutto nei piccoli insetti e che non ha partecipato allo studio, è d’accordo: «Voglio dire, perché preoccuparti di tutti quei maschi e di tutte quelle manfrine? Immagina due specie identiche, tranne che una fa i cuccioli facendo sesso e l’altra fa i cuccioli copiandosi. Nel gruppo sessuato le femmine raccolgono risorse e le trasformano in uova. I maschi per la maggior parte del tempo sprecano la loro energia nella competizione per avere accesso alle compagne. La popolazione asessuata non deve preoccuparsi di tutte queste cose. Tutto quello che devono fare è fare copie di se stessi. La popolazione asessuata avrebbe il doppio di natalità perché ogni singolo individuo avrebbe cuccioli. Quindi, la popolazione asessuata supererebbe l’altra molto rapidamente. E’ un enorme vantaggio. Quindi, tutto quello che pensiamo di sapere sul sesso è sbagliato? Può darsi. Rende molto paradossale il fatto che ci sia sessuale – soprattutto che ci sia qualcosa di sessuale, Tranne il fatto che l’asessualità è così rara». Così rara che, quando gli scienziati cominciarono a trovare maschi in arie specie che si ritenevano completamente asessuate, Normark smise quasi di credere che le specie asessuate potessero davvero sopravvivere molto a lungo. Poi è venuto fuori il D. Pachys che è riuscito a sopravvivere bene senza fare sesso per milioni di anni.
Ma l’antenato di questo verme non era così autosufficiente: dopo aver sequenziato il genoma del D. Pachys hanno concluso che anche il verme asessuato ha avuto origini da maschi e femmine. Poi nessuno sa cosa sia successo In qualche modo, il verme ha fuso le 6 coppie di cromosomi dei suoi antenati in un paio di enormi cromosomi e ha eliminato la meiosi, la parte del processo riproduttivo in cui i cromosomi si riorganizzano prima di dividere in due cellule. Ha rinunciato al sesso in favore di una clonazione precisa e semplificata. E’ cosi che hanno avuto origine D. Pachys e dei suoi cugini: eserciti di piccoli cloni senza sesso che si cibano di batteri e possono essere trovati nel terreno in tutto il mondo. E finora se la stanno cavando bene.