The role of chromosome segmental mutations in eukaryotic pangenome evolution
Questo studio dimostra che le mutazioni segmentali su larga scala, inclusi duplicazioni e delezioni, fungono da meccanismo diffuso e dinamico che guida la variazione di presenza/assenza e l'evoluzione del genoma accessorio nei pangenomi eucariotici, come dimostrato dagli elevati tassi di mutazione e dai breakpoint associati a ripetizioni in *Gephyrocapsa huxleyi* e altre specie.
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Ogni essere vivente porta con sé un insieme di istruzioni per costruire e gestire il proprio corpo, scritte in un codice chiamato DNA. Per molto tempo, gli scienziati hanno creduto che tutti i membri della stessa specie condividessero manuali di istruzioni quasi identici, con solo minuscoli errori di battitura che separavano un individuo dall'altro. Tuttavia, un modo più recente di guardare alla vita ha rivelato una realtà più complessa. Invece di un singolo manuale perfetto, una specie possiede spesso una vasta biblioteca di variazioni genetiche. Alcune parti della biblioteca si trovano in ogni singolo individuo, formando le istruzioni fondamentali necessarie per la sopravvivenza. Altre parti appaiono solo in alcuni individui, agendo come componenti opzionali che potrebbero aiutare un gruppo specifico a sopravvivere in un particolare ambiente. Questa collezione di parti fondamentali e opzionali è nota come pangenoma. Sebbene i ricercatori sappiano da tempo che i batteri scambiano liberamente queste parti opzionali, come carte collezionabili, il modo in cui animali, piante e alghe acquisiscono e perdono questi extra genetici è rimasto un mistero. Comprendere come queste sezioni opzionali appaiano e scompaiano è fondamentale perché esse spesso detengono le chiavi di come le specie si adattino a mondi che cambiano, dalle acque oceaniche che si riscaldano a nuove malattie.
In uno studio recente, i ricercatori si sono posti l'obiettivo di scoprire il meccanismo alla base di questi cambiamenti genetici su larga scala in un minuscolo alga unicellulare chiamata Gephyrocapsa huxleyi. Questo organismo è un protagonista dell'oceano, poiché forma enormi fioriture che influenzano il clima globale, eppure la sua struttura genetica è sorprendentemente flessibile. Il team, guidato da scienziati dell'Università di Oxford e del Centro Nazionale per la Ricerca Scientifica, si è concentrato su un tipo specifico di errore genetico noto come mutazione segmentale. A differenza di un semplice errore di battitura che cambia una singola lettera nel codice del DNA, una mutazione segmentale comporta la perdita o la duplicazione di enormi blocchi del genoma, che talvolta contengono milioni di lettere e decine di geni. Per cogliere questi rari eventi nel momento in cui accadono, i ricerci hanno utilizzato una tecnica chiamata accumulo di mutazioni. Hanno preso una singola cellula diploide dell'alga e hanno creato quindici linee familiari separate. In ogni linea, hanno costretto la popolazione a crescere attraverso ripetuti colli di bottiglia, dove solo pochi individui sopravvivevano per dare inizio alla generazione successiva. Questo processo disattiva efficacemente il filtro naturale che di solito rimuove le mutazioni dannose, permettendo anche errori massicci e potenzialmente dannosi di accumularsi nell'arco di centinaia di generazioni.
Dopo aver fatto crescere queste linee per oltre duecento generazioni, i ricercatori hanno sequenziato il DNA dell'antenato originale e di tutti i nuovi discendenti per vedere cosa fosse cambiato. Hanno scoperto che le mutazioni su larga scala erano molto più comuni di quanto precedentemente ipotizzato. Nelle linee diploidi, una nuova mutazione segmentale si verificava circa una volta ogni ottanta generazioni per ogni singolo set di cromosomi. Sebbene questa frequenza sia inferiore rispetto al tasso degli errori di una singola lettera, è sufficiente per rimodellare significativamente il genoma nel corso dell'evoluzione. Le mutazioni variavano enormemente in dimensioni, spaziando da frammenti minuscoli a sezioni massicce che coprivano dieci milioni di lettere. Sorprendentemente, i ricercatori hanno anche osservato che quando le alghe accidentalmente raddoppiavano l'intero set di cromosomi, diventando tetraploidi, il tasso di queste grandi mutazioni raddoppiava anch'esso. Ciò suggerisce che avere copie extra del genoma renda la cellula più instabile e incline a perdere o guadagnare grandi porzioni di DNA.
Lo studio ha anche rivelato dove tendono a verificarsi queste rotture genetiche. I ricercatori hanno scoperto che i bordi di queste sezioni mancanti o duplicate si trovavano quasi sempre in aree affollate di sequenze di DNA ripetitive. Queste sono tratti di DNA in cui lo stesso schema di lettere si ripete continuamente, spesso associati a geni saltellanti chiamati trasposoni. L'evidenza suggerisce che queste regioni ripetitive agiscano come trappole per il macchinario di riparazione del DNA della cellula. Quando il DNA si rompe, la cellula cerca di ripararlo cucendo nuovamente le estremità. Tuttavia, poiché le sequenze ripetitive appaiono così simili tra loro, gli strumenti di riparazione a volte afferrano le estremità sbagliate, cancellando accidentalmente una sezione o fondendo due parti distanti. Questo processo, guidato dal tentativo della cellula di riparare i danni, crea le variazioni su larga scala che definiscono il pangenoma.
Per vedere se si trattasse di una particolarità unica dell'alga o di una regola generale per la vita, il team ha esaminato i dati di molte altre specie, tra cui lieviti, moscerini della frutta, vermi e piante. Hanno trovato lo stesso schema di guadagni e perdite su larga scala in tutto il mondo. Ciò indica che il meccanismo che guida l'evoluzione dei pangenomi non è limitato a un singolo gruppo di organismi, ma è una caratteristica diffusa della vita eucariotica. Lo studio suggerisce che il ciclo costante di rottura e riparazione del DNA, in particolare nelle regioni ricche di sequenze ripetitive, è un motore primario per la creazione del materiale genetico accessorio che permette alle specie di diversificarsi. Piuttosto che essere rari incidenti, queste grandi mutazioni sono una forza costante e ricorrente che rimodella il genoma, fornendo la materia prima su cui l'evoluzione può agire. Comprendendo questo processo, gli scienziati ottengono un quadro più chiaro di come la vasta diversità genetica vista in natura venga generata e mantenuta, offrendo una nuova prospettiva su come la vita si adatti alle sfide di un pianeta che cambia.
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