Comparative single-cell transcriptomics links gene expression divergence to Drosophila genital morphogenesis

L'evoluzione è spesso immaginata come una lenta e grandiosa rimodellatura della vita nell'arco di milioni di anni, ma i cambiamenti più drammatici possono avvenire in un battito di ciglia sull'orologio evolutivo. Una delle parti più veloci del corpo di un animale è l'organo riproduttivo. Nel mondo delle mosche della frutta, l'apparato genitale maschile cambia forma così rapidamente che specie strettamente correlate appaiono spesso del tutto diverse tra loro, anche se sono quasi identiche in ogni altro aspetto. Gli scienziati sanno da tempo che queste differenze sono causate da cambiamenti nel modo in cui i geni vengono attivati o disattivati durante lo sviluppo, ma le istruzioni specifiche che dicono a un gruppo di cellule di crescere come un uncino, una conchiglia o una punta sono rimaste un mistero. La sfida è stata rappresentata dal fatto che queste strutture sono minuscole e composte da molti tipi di cellule diversi che lavorano insieme, rendendo difficile vedere esattamente quali geni stiano facendo cosa in quale specifica cellula.

Un team di ricercatori ha ora risolto questo enigma studiando lo sviluppo di questi organi con un nuovo livello di dettaglio. Hanno studiato due specie molto simili di mosche della frutta, una con una piccola struttura genitale a forma di uncino e un'altra con una versione molto più grande e complessa a forma di conchiglia. Invece di studiare l'intero organo in un colpo solo, lo hanno scomposto cellula per cella. Utilizzando una tecnica in grado di leggere l'attività genetica di miglia di singole cellule, hanno creato una mappa dettagliata di come l'organo si formi nel tempo. Questa mappa ha rivelato che, sebbene le due specie partano dallo stesso schema di base, divergono perché set differenti di geni sono attivi in quantità e tempi diversi. Testando queste differenze genetiche, i ricercatori hanno scoperto due meccanismi chiave che guidano la forma dell'organo: un sistema di segnalazione che decide quante cellule diventeranno parte della struttura, e un gruppo di proteine che agiscono come un'impalcatura per allungare quelle cellule nella loro forma finale.

La storia inizia con la Drosophila melanogaster e il suo stretto parente, la Drosophila simulans. A occhio nudo, queste mosche sono quasi indistinguibili, ma i loro genitali raccontano una storia diversa. I genitali di D. melanogaster presentano una piccola proiezione a forma di uncino, mentre quelli di D. simulans vantano una struttura molto più grande e ampia che ricorda una conchiglia. Queste differenze non sono solo estetiche; sono critiche per la riproduzione. I ricercatori volevano capire come forme così distinte possano derivare da un codice genetico quasi identico. Si sono concentrati sulla fase pupale dello sviluppo, un momento in cui gli organi adulti vengono costruiti da zero all'interno della pupa. Hanno raccolto questi organi in via di sviluppo in tre momenti specifici: 28, 36 e 48 ore dopo la formazione della pupa.

Per vedere cosa stesse accadendo all'interno, gli scienziati hanno utilizzato un metodo potente chiamato sequenziamento dell'RNA a singola cellula (single-cell RNA sequencing). Immaginate di prendere una macchina complessa, smontarla pezzo per pezzo e leggere il manuale di istruzioni di ogni singolo ingranaggio e molla per vedere cosa dovrebbe fare. In questo caso, la "macchina" era l'organo genitale in via di sviluppo, e i "manuali di istruzioni" erano i geni attivi all'interno di ogni cellula. Hanno elaborato migliaia di cellule di entrambe le specie di mosche, filtrando il rumore per concentrarsi solo sulle cellule che stavano costruendo gli strati superficiali dell'organo. Ciò ha permesso loro di raggruppare le cellule in base alla parte dell'organo che stavano costruendo, come i palmeti (claspers), le placche laterali o il lobo posteriore — la struttura specifica che differisce così drasticamente tra le due specie.

Le mappe risultanti hanno mostrato che le cellule in entrambe le specie erano sorprendentemente simili nella loro identità generale. Una cellula che costruisce un palmeto in una specie somigliava molto a una cellula che costruisce un palmeto nell'altra. Tuttavia, quando i ricercatori hanno confrontato i geni specifici attivi nel lobo posteriore, hanno trovato centinaia di differenze. Alcuni geni erano attivati molto più fortemente in una specie, mentre altri erano attivi in schemi differenti. Ciò suggeriva che la differenza di forma non fosse causata da un singolo gene "interruttore principale", ma da uno spostamento complesso nell'attività di molti geni che lavorano insieme. Per capire quali di questi geni contassero davvero, i ricercatori hanno eseguito un test sistematico. Hanno spento, o silenziato, 54 diversi geni candidati uno alla volta nelle mosche in via di sviluppo e hanno osservato cosa accadeva alla forma finale dell'organo.

I risultati sono stati rivelatori. Il silenziamento di certi geni causava il rimpicciolimento del lobo posteriore, mentre altri lo facevano crescere troppo o cambiare completamente forma. Due percorsi specifici si sono distinti come critici. Il primo coinvolgeva un sistema di segnalazione noto come BMP, che agisce come una rete di comunicazione che dice alle cellule cosa diventare. I ricercatori hanno scoperto che questo segnale era attivo in un'area più ampia e a livelli più elevati nella specie con l'organo più grande. Quando hanno ridotto questo segnale, l'organo non si è formato correttamente, suggerendo che la forza e la portata di questo segnale aiutino a determinare quante cellule vengono reclutate per costruire la struttura. La seconda scoperta chiave riguardava un gruppo di proteine chiamate proteine con dominio ZP. Queste proteine si trovano nella matrice extracellulare, un materiale simile a una rete che circonda le cellule e conferisce loro forma. I ricercatori hanno scoperto che due proteine specifiche di questo gruppo, chiamate Mey e Nyo, erano essenziali affinché le cellule potessero allungarsi ed estendersi. Quando queste proteine venivano rimosse, le cellule non riuscivano a mantenere la connessione con la matrice circostante e l'organo rimaneva corto e tozzo invece di crescere lungo ed elegante.

Lo studio suggerisce che l'evoluzione di queste forme complesse avvenga attraverso una combinazione di due cambiamenti semplici. Primo, la specie con l'organo più grande attiva un segnale di crescita in un'area più ampia, reclutando più cellule per il progetto. Secondo, produce più proteine strutturali che permettono a quelle cellule di allungarsi ed estendersi. È un processo di affinamento piuttosto che di reinvenzione. I ricercatori non hanno trovato un singolo gene responsabile dell'intera differenza; hanno invece scoperto che la forma è il risultato di molti piccoli aggiustamenti nel modo in cui le cellule comunicano e nel modo in cui si attaccano al loro ambiente. Questo approccio, che guarda alle singole cellule piuttosto che all'intero tessuto, ha fornito una chiarezza precedentemente impossibile, mostrando esattamente dove e quando i percorsi di sviluppo delle due specie divergono.

Collegando queste differenze genetiche al comportamento fisico delle cellule, i ricercatori hanno fornito un chiaro esempio di come l'evoluzione possa rimodellare una parte del corpo. Hanno dimostrato che la differenza drammatica tra un piccolo uncino e una grande conchiglia si basa su una fondazione di programmi di sviluppo conservati che vengono modificati in modi specifici. Il lavoro stabilisce un nuovo quadro per comprendere come evolvano le forme complesse, andando oltre le semplici liste di geni verso un'immagine dinamica del comportamento cellulare. Dimostra che, combinando mappe genetiche ad alta risoluzione con test diretti della funzione genica, gli scienziati possono ora tracciare il percorso da un cambiamento in un gene a un cambiamento nella forma di un animale. Questo metodo offre un modo potente per decodificare le istruzioni genetiche che costruiscono l'incredibile diversità della vita, una cellula alla volta.