Integrative genome and transcriptome mining identifies a diverse repertoire of cyclooxygenase/prostaglandin- endoperoxide synthase-like candidates in Porifera
Integrando estesi dati genomici e trascrittomici, questo studio identifica un repertorio diversificato di candidati simili alla cicloossigenasi/prostaglandina-endoperossido sintasi in Porifera, sfidando le precedenti ipotesi della loro assenza e suggerendo che la linea evolutiva dell'enzima sia originata nell'ultimo antenato comune di spugne, cnidari e bilateri.
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Per miliardi di anni, gli animali si sono affidati a un sofisticato linguaggio chimico per gestire l'infiammazione, il flusso sanguigno e la riproduzione. Al cuore di questo sistema ci sono enzimi chiamati cicloossigenasi. Pensate a questi enzimi come a macchine molecolari specializzate che prendono un comune acido grasso presente nelle membrane cellulari e lo trasformano in potenti molecole di segnalazione note come prostaglandine. Questi segnali dicono al corpo quando guarire una ferita, quando combattere un'infezione o quando innescare un ciclo riproduttivo. Per molto tempo, gli scienziati hanno creduto che queste macchine fossero un'invenzione relativamente recente, apparsa solo in animali complessi come i vertebrati e forse alcuni coralli. Il ragionamento era semplice: i rami più antichi dell'albero genealogico degli animali, come le spugne, sembravano mancare interamente delle impronte genetiche per questi enzimi. Se le spugne, che esistono da centinaia di milioni di anni, non li possedevano, allora la meccanica doveva essersi evoluta più tardi, dopo che le spugne si erano già separate dal resto del regno animale.
Questa ipotesi è stata ora messa in discussione da una ricerca esaustiva attraverso il codice genetico delle spugne. Un ricercatore di nome Sebastiano Scibelli, lavorando in modo indipendente, ha deciso di guardare più a fondo rispetto al passato. Invece di affidarsi a poche sequenze genetiche sparse, ha raccolto una vasta collezione di dati, inclusi i completi progetti genetici di 213 diverse specie di spugne e migliaia di sequenze di RNA che mostrano quali geni sono attivi. Ha poi utilizzato potenti strumenti informatici per scansionare questi dati alla ricerca dei pattern specifici che definiscono gli enzimi cicloossigenasi. L'obiettivo era vedere se le firme genetiche di queste macchine molecolari si nascondessero nel genoma della spugna, forse travestite da milioni di anni di cambiamento evolutivo.
La ricerca è stata rigorosa. Il ricercatore non si è limitato a cercare un singolo match; ha costruito un sistema di verifica a più livelli. Ha confrontato le sequenze genetiche delle spugne con enzimi noti di altri animali, ha controllato le parti strutturali specifiche che rendono funzionale l'enzima e ha verificato che i geni venissero effettivamente letti dalla cellula. Ha anche esaminato la struttura fisica dei geni, assicurandosi che avessero il numero corretto di sezioni e che l'evidenza dell'RNA corrispondesse alle previsioni del DNA. Questo processo di filtraggio accurato ha ridotto milioni di potenziali corrispondenze a un insieme di candidati altamente credibili. Il risultato è stato la scoperta di 67 modelli genetici ampi, ulteriormente raffinati in 47 posizioni distinte nei genomi delle spugne. Tra questi, 15 candidati si sono distinti come le prove più forti, possedendo tutte le caratteristiche strutturali necessarie e confermati dai dati dell'RNA come geni reali e intatti, sebbene un piccolo sottoinsieme di questi modelli facesse affidamento sul contesto eucariotico piuttosto che sul supporto diretto dell'RNA della stessa specie.
Queste scoperte suggeriscono che le spugne possiedano effettivamente la macchina genetica per gli enzimi cicloossigenasi, ma che queste appaiano diverse dalle versioni presenti in esseri umani o altri animali complessi. Il ricercatore ha identificato 18 candidati chiave che mantenevano i componenti critici del nucleo necessari affinché l'enzima funzioni. Tuttavia, queste versioni delle spugne mostravano variazioni nelle parti dell'enzima che controllano come esso cattura la sua molecola bersaglio. Alcune di queste variazioni suggeriscono che gli enzimi potrebbero produrre tipi diversi di segnali o lavorare in modi leggermente diversi rispetto ai loro corrispettivi negli animali più complessi. Ad esempio, alcune enzimi delle spugne presentavano cambiamenti nel "canale" in cui entra l'acido grasso, il che potrebbe alterare la forma del prodotto finale. Ciò implica che, sebbene lo strumento di base esista, le spole potrebbero averlo personalizzato per le proprie esigenze biologiche uniche.
Lo studio ha anche rivelato che questi geni non sono solo anomalie rare; sono diffusi tra diversi tipi di spugne. Il ricercatore ha trovato prove di questi geni in 22 specie diverse, inclusi rappresentanti di tre grandi gruppi di spugne. In alcune specie, ha persino trovato versioni multiple del gene che vivono fianco a fianco nello stesso genoma, suggerendo che le spugne abbiano duplicato e diversificato questi geni nel tempo. Questa diversità indica che i geni non sono una fluttuazione o una contaminazione da parte di un altro organismo, ma una genuina parte del kit biologico delle spugne.
Forse, cosa più significativa, questa scoperta cambia la nostra comprensione di quando questi enzimi siano comparsi nella storia della vita. Poiché le spugne sono il ramo più antico del gruppo degli animali sopravvissuti, trovare questi geni in esse significa che la macchina doveva esistere nell'ultimo antenato comune di tutti gli animali, inclusi spugne, coralli e umani. Questo sposta l'origine della linea delle cicloossigenasi di centinaia di milioni di anni più indietro rispetto a quanto precedentemente ipotizzato. Suggerisce che la capacità di produrre questi vitali segnali chimici fosse un tratto fondamentale ereditato da tutti gli animali, piuttosto che un'invenzione successiva.
Tuttavia, il ricercatore è attento a sottolineare ciò che questo studio non dimostra. Sebbene l'evidenza genetica sia forte, l'effettiva attività chimica di questi enzimi delle spugne non è ancora stata testata in laboratorio. Lo studio conferma che i geni sono presenti e che somigliano alle cicloossigenasi, ma non mostra che producano con successo le prostaglandine o che funzionino esattamente come le versioni umane. Il prossimo passo per la scienza è prendere questi candidati genetici e testarli in laboratorio per vedere quali segnali chimici producono effettivamente. Fino ad allora, la scoperta rimane una potente revisione dell'albero genealogico degli animali, rivelando che le radici genetiche dei nostri stessi sistemi infiammatori e riproduttivi sono molto più profonde e antiche di quanto avessimo mai immaginato.
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