Trypanosoma congolense Variant Surface Glycoprotein gene expression occurs in the absence of monoallelic transcription control

Per sopravvivere all'interno di un mammifero, un parassita unicellulare deve cambiare costantemente il suo travestimento. Il sistema immunitario del suo ospite agisce come una forza di sicurezza altamente addestrata, imparando a riconoscere il rivestimento superficiale specifico di un invasore e poi attaccandolo. Per restare un passo avanti, molti patogeni praticano un trucco chiamato variazione antigenica. Portano con sé una vasta libreria di diverse proteine superficiali, ma ne espongono solo una alla volta. Quando il sistema immunitario dell'ospite riesce finalmente a individuare quella specifica proteina e lancia un attacco, il parassita passa a un'altra diversa dalla sua libreria, cambiando efficacemente volto prima che il sistema immunitario possa rintracciarlo. Questo processo è ben compreso nel caso del tripanosoma africano Trypanosoma brucei, la causa della malattia del sonno. In questa specie, il parassita è un rigoroso monogamo riguardo al suo travestimento: in ogni momento, una singola cellula esprime un solo gene della proteina superficiale mantenendo tutti gli altri silenti. Questo controllo "monoallelico" è gestito da un sofisticato macchinario molecolare che assicura che un solo gene sia attivo, permettendo alla popolazione di cambiare aspetto in un'ondata coordinata e sequenziale.

Tuttavia, un parassita strettamente correlato, il Trypanosoma congolense, che causa una devastante malattia al bestiame nell'Africa subsahariana, è da tempo un mistero. Sebbene gli scienziati sapessero che anche esso utilizzava proteine superficiali per evadere l'immunità, non sapevano come controllasse l'espressione di questi geni. Seguiva la stessa rigida regola del singolo gene del suo cugino, o operava diversamente? Un team di ricercatori di università del Regno Unito e del Belgio si è messo in viaggio per rispondere a questa domanda osservando direttamente l'attività genetica dei singoli parassiti. Volevano vedere se le regole che governano il famoso parassita della malattia del sonno si applicassero anche a questo flagello agricolo.

I ricercatori hanno iniziato coltivando colture di T. congolense in laboratorio ed esaminando i messaggi genetici, o trascritti, che i parassiti stavano producendo. Si aspettavano di trovare che, come il T. brucei, ogni cellula fosse concentrata su un singolo gene della proteina superficiale. Invece, hanno trovato una scena caotica. In piccoli gruppi di parassiti recentemente clonati, hanno rilevato centinaia di diversi geni delle proteine superficiali attivi contemporaneamente. Questo era un netto contrasto con il T. brucei, dove quasi ogni cellula esprime un solo gene dominante. Per garantire che non si trattasse di un colpo di fortuna causato dai parassiti che scambiavano i geni per creare nuove combinazioni, gli scienziati hanno creato versioni mutanti di T. congolense prive della capacità di eseguire la ricombinazione genetica. Anche senza questa capacità di mescolare il proprio mazzo di carte genetico, i parassiti continuavano a esprimere una vasta gamma di diverse proteine superficiali simultaneamente. La diversità non era il risultato dello scambio di geni; era una caratteristica fondamentale di come questi parassiti leggono il proprio DNA.

Per capire cosa stesse accadendo all'interno di una singola cellula, il team si è rivolto alla trascrittomica a singola cellula, una tecnica che permette agli scienziati di ascoltare le conversazioni genetiche di singole cellule piuttosto che solo il rumore medio di un'intera popolazione. Hanno analizzato migliaia di cellule individuali di T. congolense e le hanno confrontate con migliaia di cellule di T. brucei. La differenza è stata immediata e profonda. Nei campioni di T. brucei, quasi ogni cellula esprimeva un singolo gene della proteina superficiale, con forse un minuscolo sussurro di un secondo qui e là. Le cellule di T. congolense, invece, esprimevano molteplici geni delle proteine superficiali contemporaneamente. Una tipica cellula di T. congolense è stata trovata ad trascrivere attivamente da due a trenta diversi geni delle proteine superficiali simultaneamente. In effetti, la maggior parte delle cellule co-esprimeva più geni, e la specifica combinazione di geni variava enormemente da cellula a cellula. Alcune cellule esprimevano una dozzina di proteine diverse, mentre altre ne esprimevano poche, ma la regola del "un gene per cellula" era completamente assente.

I ricercatori hanno poi mappato la posizione di questi geni attivi all'interno del genoma del parassita per vedere se esistesse un "centro di comando" specifico dove questi geni venivano attivati. In T. brucei, esiste un sito dedicato alla fine dei cromosomi dove risiede il gene attivo, mentre tutte le altre copie sono silenziate. In T. congolense, non esisteva un tale sito dedicato. I geni attivi erano sparsi in tutto il genoma, trovati su cromosomi grandi e piccoli, spesso lontani dalle estremità dei cromosomi dove solitamente risiedono i siti attivi in altri trypanosomi. I geni espressi insieme in una singola cellula non erano vicini; erano situati in parti completamente diverse del genoma. Ciò indicava che il T. congolense non si affida a un singolo sito di espressione specializzato per controllare il suo travestimento. Invece, sembra avere la libertà di attivare molti diversi geni delle proteine superficiali contemporaneamente, indipendentemente da dove si trovino nel DNA.

Per vedere se questo strano comportamento fosse unico del laboratorio o se accadesse in una vera infezione, il team ha ripetuto l'esperimento utilizzando parassiti prelevati direttamente da topi infetti. Hanno raccolto i parassiti dal sangue degli animali in diverse fasi dell'infezione e li hanno analizzati individualmente. Anche nel complesso ambiente di un ospite vivente, il modello rimaneva invariato. La stragrande maggioranza delle cellule di T. congolense esprimeva molteplici geni delle proteine superficiali contemporaneamente, mentre le cellule di T. brucei dallo stesso tipo di esperimento continuavano a rispettare la loro regola del singolo gene. Ciò ha confermato che la mancanza di un controllo rigoroso non è un artefatto delle condizioni di laboratorio, ma una caratteristica biologica fondamentale del T. congolense. I ricercatori hanno anche testato un ceppo diverso di T. congolense e hanno trovato lo stesso risultato, suggerendo che si tratti di un tratto universale per la specie.

Le scoperte sfidano il lungo assunto che tutti i trypanosomi africani utilizzino lo stesso meccanismo per eludere il sistema immunitario. Mentre il T. brucei si affida a uno scambio rigoroso e sequenziale di un singolo travestimento, il T. congolense sembra indossare un mosaico di molti diversi travestimenti simultaneamente. Ciò suggerisce che il parassita potrebbe confondere il sistema immunitario non cambiando il proprio volto uno alla volta, ma presentando un mix costantemente mutevole ed eterogeneo di volti tutti in una volta. Lo studio ha anche escluso l'idea che questa diversità derivi dai parassiti che scambiano costantemente i geni per creare nuove combinazioni, poiché i mutanti incapaci di scambiare geni mostravano la stessa alta diversità. Invece, la diversità deriva dalla capacità di trascrivere molti geni contemporaneamente.

Questa scoperta apre nuove domande su come questi parassiti sopravvivano. Se una cellula di T. congolense è coperta da un mix di diverse proteine, come fa a evitare di essere attaccata? I ricercatori hanno scoperto che, sebbene le cellule producano molti messaggi genetici diversi, il numero effettivo di molecole proteiche rilevate sulla superficie era inferiore al numero di messaggi, suggerendo che un certo livello di controllo possa ancora esistere dopo che i geni sono stati letti, forse filtrando quali proteine raggiungono effettivamente la superficie. Tuttavia, il meccanismo fondamentale di attivazione dei geni è chiaramente diverso dal suo cugino. Lo studio conclude che l'evoluzione ha intrapreso due percorsi molto diversi per risolvere lo stesso problema: un percorso porta a un rigoroso focus su un singolo gene, mentre l'altro porta a un'espressione multigenica caotica. Questa differenza di strategia evidenzia l'incredibile adattabilità di questi parassiti e suggerisce che le regole che governano la loro sopravvivenza siano molto più diverse di quanto precedentemente immaginato.