Metazoan-wide phylogenomics supports the emergence of recognisable canonical prostanoid-receptor family structure across the vertebrate transition
Questo studio filogenomico su scala metazoa dimostra che la struttura canonica a otto famiglie dei recettori dei prostanoidi è un'innovazione specifica dei vertebrati, rivelando che i precedentemente proposti omologhi non vertebrati sono in realtà linee di recettori distinte la cui apparente somiglianza con i recettori EP4 dei vertebrati deriva dalla prossimità filogenetica piuttosto che da una vera ortologia.
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All'interno dei corpi degli animali, dalle semplici spugne marine agli esseri umani complessi, un sofisticato linguaggio chimico coordina processi vitali come l'infiammazione, il flusso sanguigno e la riproduzione. Questo linguaggio si basa su un gruppo di molecole lipidiche chiamate prostanoidi, che agiscono come messaggeri locali. Per ricevere questi messaggi, le cellule utilizzano proteine specializzate incastonate nelle loro pareti esterne, note come recettori. Nei vertebrati, come pesci, uccelli e mammiferi, questi recettori sono organizzati in otto distinte famiglie, ciascuna sintonizzata su un tipo specifico di segnale prostanoidico. Gli scienziati hanno a lungo assunto che questo complesso sistema a otto famiglie fosse ereditato da antichi antenati, il che significava che anche le creature prive di colonna vertebrale, come meduse o insetti, avrebbero dovuto possedere i diretti predecessori evolutivi di queste otto specifiche famiglie.
Un nuovo studio mette in discussione questa ipotesi di lunga data esaminando la storia genetica di questi recettori in tutto il regno animale. La ricerca, guidata dal ricercatore indipendente Sebastiano Scibelli, si è posta l'obiettivo di determinare quando e come sia emersa la riconoscibile struttura di queste otto famiglie di recettori. Analizzando migliaia di dataset genetici provenienti da centinaia di specie animali, lo studio rivela che la specifica disposizione in otto famiglie riscontrata nei vertebrati non è una caratteristica di tutti gli animali, bensì uno sviluppo apparso specificamente durante la transizione verso i vertebrati.
Il ricercatore ha iniziato raccogliendo una quantità massiccia di dati genetici, esaminando le sequenze proteiche di oltre 3.000 specie rappresentanti 30 diversi gruppi animali. Ha confrontato queste sequenze con un set accuratamente curato di 78 recettori vertebrati noti, che fungono da standard di riferimento per le otto famiglie. L'obiettivo era vedere se qualcuno degli animali non vertebrati possedesse recettori che si inserissero perfettamente in queste otto categorie stabilite. Il ricercatore ha utilizzato un processo rigoroso e multi-fase per garantire l'accuratezza. In primo luogo, ha lanciato una rete ampia per trovare qualsiasi potenziale corrispondenza, ha poi applicato filtri severi per confermare che le proteine avessero la struttura corretta e, infine, le ha collocate su alberi evolutivi per vedere dove appartenessero. Questo metodo ha permesso di distinguere tra un recettore che è semplicemente simile a uno vertebrato e uno che è un vero parente evolutivo.
I risultati sono stati sorprendenti. Tra le migliaia di sequenze analizzate dagli animali non vertebrati, nessuna poteva essere collocata in modo definitivo all'interno delle otto famiglie canoniche. Sebbene molti di questi antichi recettori fossero correlati al sistema dei prostanoidi in senso lato, non appartenevano ai gruppi specifici noti come DP1, EP1 attraverso EP4, FP, IP o TP. Inveve, i recettori dei non vertebrati formavano le proprie linee distinte che si diramavano prima che le famiglie dei vertebrati fossero completamente formate. Il ricercatore ha scoperto che questi antichi recettori apparivano spesso più vicini a una specifica famiglia vertebrata, l'EP4, ma ciò era il risultato del modo in cui l'albero evolutivo era strutturato, non la prova che fossero veri antenati della famiglia EP4. Il ricercatore ha dimostato che questa vicinanza era un artefatto geometrico dei dati piuttosto che un segno di diretta discendenza.
Lo studio ha anche affrontato la ricerca precedente che aveva identificato specifici recettori negli anemoni di mare e nei coralli come equivalenti diretti dei recettori EP2 ed EP4 dei vertebrati. Riesaminando le sequenze genetiche con metodi più completi e rigorosi, l'autore ha scoperto che tali assegnazioni erano errate. Le sequenze dell'anemone di mare erano effettivamente correlate al sistema dei prostanoidi, ma non rientravano nelle specifiche categorie EP2 o EP4. Più significativamente, le sequenze del corallo, che erano state etichettate come EP2 ed EP4, erano in realtà del tutto slegate dalla famiglia dei recettori dei prostanoidi, appartenendo invece a diversi gruppi di proteine di superficie cellulare. Ciò suggerisce che studi precedenti, che si affidavano fortemente a semplici ricerche di somiglianza, potrebbero aver identificato erroneamente queste proteine antiche.
L'emergere della riconoscibile struttura a otto famiglie sembra essere avvenuto gradualmente con l'evoluzione dei vertebrati. Lo studio indica che la chiara separazione nelle otto distinte famiglie si è stabilita durante la transizione dai primi cordati ai vertebrati con mascelle. Sebbene alcuni gruppi di vertebrati primordiali, come lampre e pesci cicli, mostrassero segni di questa struttura emergente, l'assetto completo e stabile non era ancora concluso. Fu solo negli antenati dei moderni vertebrati con mascelle che il sistema si solidificò nelle otto famiglie odierne. Il ricercatore ha anche esaminato la posizione fisica di questi geni sui cromosomi per comprendere come si fossero moltiplicati. Ha scoperto che, mentre alcune coppie di recettori rimanevano vicine sullo stesso cromosoma, suggerendo che fossero state create per duplicazione locale, altre erano disperse, suggerendo una storia più complessa che coinvolgeva duplicazioni genomiche su larga scala. Tuttavia, i dati non supportavano un modello semplice in cui tutte le otto famiglie furono create simultaneamente da un singolo evento antico.
Questo lavoro cambia fondamentalmente la nostra comprensione di come si siano evoluti i sistemi di segnalazione animale. Dimostra che la capacità di rispondere ai segnali dei prostanoidi è antica e diffusa, esistente in molte forme in tutto il regno animale. Tuttavia, il sistema specifico e altamente organizzato delle otto famiglie che definisce la biologia dei vertebrati è un'innovazione successiva. I recettori trovati negli invertebrati non sono versioni rotte o incomplete del sistema dei vertebrati; sono un pool diversificato di proteine che si sono evolute indipendentemente, che svolgevano funzioni simili ma hanno seguito un percorso evolutivo differente. Lo studio conclude che la complessità del sistema dei prostanoidi dei vertebrati è una caratteristica unica di quel lignaggio, derivante da un mix di duplicazioni geniche locali ed eventi genomici più ampi, piuttosto che da una diretta eredità da un preesistente e pienamente formato antenato invertebrato.
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