A duplicated Hedgehog ligand and a duplicated Patched receptor show different constraint and genomic context in land snails and slugs
Questo studio rivela che nelle lumache e nelle chiocciole terrestri, i geni duplicati del ligando Hedgehog e del recettore Patched esibiscono traiettorie evolutive distinte, con le copie di Hedgehog che subiscono un rilassamento della costrizione e una rapida divergenza in un dominio specifico, mentre le copie di Patched rimangono fortemente conservate e sinteniche, evidenziando che gli inventari basati sul proteoma possono sottostimare il numero di copie geniche.
Articolo originale sotto licenza CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Questa è una spiegazione generata dall'IA di un preprint non sottoposto a revisione paritaria. Non è un consiglio medico. Non prendere decisioni sulla salute basandoti su questo contenuto. Leggi il disclaimer completo
All'interno delle cellule di quasi ogni animale, dalle mosche della frutta agli esseri umani, scorre una linea di comunicazione breve ma vitale nota come via di segnalazione Hedgehog. Pensatela come un semplice interruttore a tre parti che dice ai tessuti in crescita come disporsi. Una proteina messaggera, il ligando Hedgehog, viaggia verso un recettore su una cellula vicina chiamato Patched. Quando il messaggero arriva, sblocca il recettore, il quale smette di bloccare una terza proteina, Smoothened, permettendo a un segnale di passare attraverso la cellula fino al nucleo per dirigere lo sviluppo. Poiché questo sistema si basa su quantità precise di ciascuna parte che lavorano insieme, gli scienziati si sono a lungo chiesti cosa accada quando le istruzioni genetiche di queste parti vengono accidentalmente copiate. La cellula tiene entrambe le copie o ne scarta una? E se tiene entrambe, continuano a funzionare esattamente allo stesso modo o divergono?
In uno studio recente, i ricercatori hanno rivolto la loro attenzione alle lumache e alle chiocciole terrestri per osservare questo processo in azione. Queste creature sono particolarmente interessanti perché la loro storia evolutiva può includere un evento massicce in cui l'intero set dei loro cromosomi è stato duplicato, fornendo efficacemente il doppio del materiale genetico. Se ciò fosse accaduto, le lumache avrebbero due copie di ogni gene della via di Hedgehog. La domanda era se queste copie extra si sarebbero comportate come gemelle, rimanendo identiche e vincolate, o se avrebbero preso percorsi diversi, con una che cambiava rapidamente mentre l'altra rimaneva la stessa.
I ricercatori hanno esaminato i progetti genetici di undici diverse specie di lumache e chiocciole terrestri. Hanno scoperto che per il recettore, Patched, la storia è stata di stabilità. Entrambe le copie del gene Patched sono rimaste in ogni specie, e entrambe le copie erano sotto una stretta pressione evolutiva per rimanere esattamente come erano. Non erano cambiate molto nel tempo. Inoltre, quando gli scienziati hanno guardato la posizione fisica di questi geni sui cromosomi, hanno scoperto che le due copie di Patched sedevano su una coppia di cromosomi che erano chiaramente correlati, come due pagine strappate dallo stesso libro. Anche il quartiere circostante di geni su questi cromosomi era stato ampiamente preservato, suggerendo che queste copie fossero il risultato di un evento di duplicazione su larga scala che aveva mantenuto intatto il paesaggio genetico locale.
Il messaggero Hedgehog ha raccontato una storia molto diversa. Come il recettore, anche le lumache hanno mantenuto due copie del gene Hedgehog. Tuttavia, queste due copie non erano uguali. Una copia è rimasta sotto un controllo rigoroso, evolvendo lentamente proprio come i geni Patched. L'altra copia, invece, è stata lasciata libera di cambiare. Ha accumulato mutazioni molto più velocemente, allontanandosi dal codice originale a un ritmo quasi due volte superiore rispetto al suo partner. Questa copia in rapida evoluzione aveva anche una struttura più corta, con meno DNA non codificante che separava le sue parti funzionali. Quando i ricercatori hanno guardato da vicino la struttura della proteina, hanno visto che i cambiamenti non erano casuali; erano concentrati in una regione specifica all'estremità della proteina, suggerendo che questa parte della molecola fosse libera di sperimentare nuove forme mentre il resto del sistema rimaneva stabile.
Forse in modo sorprendente, la posizione fisica di queste due copie di Hedgehog non mostrava la stessa chiara relazione delle copie di Patched. Sebbene i due geni Hedgehog fossero ancora trovati su cromosomi che mostravano alcuni segni di parentela, la connessione era molto più debole. I geni circostanti si erano rimescolati e cambiati così tanto che il quartiere originale era in gran parte scomparso. Ciò suggerisce che, sebbene le due copie di Hedgehog possano essere partite sugli stessi cromosomi duplicati delle copie di Patched, l'area intorno al gene Hedgehog ha subito una storia di cambiamenti molto più rapida e caotica, cancellando la mappa chiara che rimane visibile attorno ai geni Patched.
Lo studio ha anche svelato un problema nascosto nel modo in cui gli scienziati contano i geni. Quando i ricercatori hanno controllato direttamente i dati genetici grezzi, hanno scoperto che i programmi informatici precedenti avevano mancato geni o avevano diviso singoli geni in due falsi geni in diverse specie. Ad esempio, una specie era ritenuta possedere una sola copia di un gene chiamato Gli, ma un esame più approfondito del DNA ha rivelato una seconda copia, parzialmente rotta, che il computer aveva mancato. Un'altra specie sembrava non avere affatto il gene Hedgehog nella sua lista proteica, eppure il DNA mostrava due copie complete. Questi errori evidenziano che contare semplicemente le proteine non è sufficiente; è necessario guardare il codice genetico grezzo per vedere l'immagine completa.
Le scoperte delineano un quadro chiaro di come l'evoluzione gestisce il materiale genetico in eccesso. Anche all'interno dello stesso piccolo gruppo di geni che lavorano insieme, parti diverse possono seguire regole completamente differenti. Il recettore è rimasto saldo e invariato, il messaggero si è diviso in una versione stabile e una libera di cambiare, e la proteina trasduttrice è rimasta una singola copia in ogni specie esaminata. Ciò dimostra che il destino di un gene duplicato non è deciso dall'evento di duplicazione in sé, ma dal ruolo specifico che il gene svolge nella cellula. Alcune parti del sistema sono troppo importanti per rischiare il cambiamento, mentre altre hanno la libertà di evolversi ed esplorare nuove possibilità.
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