Per sopravvivere nelle gelide acque oceaniche intorno all'Artico e all'Antartide, la vita marina ha sviluppato molte difese contro il freddo letale. Un adattamento comune è la capacità di produrre proteine ​​antigelo (AFP) che impediscono ai cristalli di ghiaccio di crescere nel sangue, nei tessuti e nelle cellule. È una soluzione che si è evoluta ripetutamente e indipendentemente, non solo nei pesci ma anche nelle piante, nei funghi e nei batteri.

Non sorprende, quindi, che aringhe e smelt, due gruppi di pesci che comunemente si aggirano nelle zone più settentrionali dell'Oceano Atlantico e del Pacifico, producano entrambi AFP. Ma è molto sorprendente, persino strano, che entrambi i pesci lo facciano con lo stesso gene AFP, soprattutto perché i loro antenati si sono separati più di 250 milioni di anni fa e il gene è assente da tutte le altre specie ittiche ad essi correlate.

Un giornale di marzo in Tendenze in genetica contiene la spiegazione non ortodossa: il gene è diventato parte del genoma dell'odore attraverso un trasferimento orizzontale diretto da un'aringa. Non è stato attraverso l'ibridazione, perché l'aringa e l'odore non possono incrociarsi, come hanno dimostrato molti tentativi falliti. Il gene dell'aringa si è fatto strada nel genoma dell'odore al di fuori dei normali canali sessuali.

Laura Graham, una biologa molecolare della Queen's University in Ontario e autrice principale dell'articolo, sa che sta facendo un'affermazione coraggiosa nel sostenere il trasferimento diretto di un gene da un pesce all'altro. Quel tipo di movimento orizzontale del DNA una volta non era immaginato che si verificasse in nessun animale, figuriamoci nei vertebrati. Tuttavia, più lei e i suoi colleghi studiano l'odore, più le prove diventano chiare.

Né l'odore è unico. Recenti studi su una serie di animali - altri pesci, rettili, uccelli e mammiferi - portano a una conclusione simile: l'eredità laterale del DNA, una volta ritenuta esclusiva dei microbi, si verifica sui rami per tutto l'albero della vita.

Sarah Schaak, un genomista evoluzionista del Reed College di Portland, in Oregon, ritiene che questi casi di trasferimento orizzontale abbiano ancora "un grande fattore wow" anche tra gli scienziati, "perché la saggezza convenzionale per così tanto tempo era che era meno probabile o impossibile negli eucarioti. " Ma la scoperta dell'odore e altri esempi recenti indicano tutti i trasferimenti orizzontali che giocano un ruolo influente nell'evoluzione.

Una battaglia controcorrente

All'inizio degli anni 2000, Graham stava studiando gli AFP sotto la direzione del suo capo laboratorio Peter Davies quando fu colpita dalla strana somiglianza del gene della proteina dell'odore con uno dei geni antigelo prodotti dall'aringa. Gli introni dei geni - tratti di DNA non codificante, che generalmente mutano più velocemente delle regioni codificanti - sono identici per oltre il 95%. "L'unica conclusione che siamo riusciti a trarre era che il gene è stato trasferito orizzontalmente", ha detto.

Ma quando il team ha cercato di pubblicare i propri risultati, ha dovuto affrontare un significativo respingimento. "L'abbiamo inviato a un diario dopo l'altro e abbiamo dovuto davvero lottare per farlo entrare", ha ricordato. Il loro tempismo è stato forse sfortunato. Nel 2001, uno dei principali articoli che descrive il genoma umano appena sequenziato ha fatto affermazioni straordinarie sul gene orizzontale trasferimenti da batteri sulla base di confronti con alcuni genomi animali. Queste affermazioni sono state rapidamente confutate dal lavoro che mostrava che i lignaggi delle specie tra batteri e umani sull'albero della vita un tempo avevano avuto i geni ma li ho persi.

"Poi siamo arrivati ​​e abbiamo provato a pubblicare questo, ed era in un clima in cui la gente diceva: 'Queste affermazioni sono una sciocchezza'", ha detto Graham. Anche dopo che il documento è stato finalmente pubblicato nel 2008 da PLoS ONE, le conclusioni sono state messe in dubbio. “Probabilmente circa la metà delle persone nel nostro campo ha detto: 'Oh! Questo è davvero fantastico!' e l'altra metà ha detto: 'No. Non ti crediamo'”, ha detto.

L'incredulità nei loro risultati era comprensibile perché le barriere al trasferimento orizzontale negli eucarioti sembravano insormontabili. I trasferimenti orizzontali sono comuni e facili nei batteri, il cui DNA è appena all'interno del loro citoplasma. Se un frammento di DNA riesce a farsi strada attraverso la parete cellulare e la membrana di un batterio, non c'è molto che ne impedisca l'integrazione nel genoma. Ma gli eucarioti mantengono il loro genoma rinchiuso all'interno di una seconda barriera, il nucleo, e il più delle volte il loro DNA è strettamente condensato in cromosomi che limitano le opportunità di splicing nel genoma. Inoltre, affinché un trasferimento orizzontale si stabilisca in una specie eucariotica, non può integrarsi nel DNA di una qualsiasi cellula; deve finire in una cellula germinale, essere trasmesso alla prole e persistere nella popolazione generale. Quella catena di eventi sembrava estremamente improbabile a molti scienziati.

Per non lasciarsi scoraggiare, Graham e i suoi colleghi hanno indagato più a fondo. Clonando grandi parti del genoma dell'odore nei batteri, hanno determinato che l'odore ha un solo gene AFP. Quando hanno esaminato le corrispondenti regioni genomiche di altri pesci con sequenze genomiche pubblicate, hanno scoperto nessuna traccia di un gene AFP, nemmeno uno defunto, sebbene la schiera di geni che affiancava il gene AFP dell'odore fosse lì. “Questo ha suggerito che questo era qualcosa che è arrivato; era un nuovo arrivo nell'odore", ha spiegato. "Eppure, avevamo ancora persone che dicevano: 'No, non lo compriamo.'"

Infine, nel 2019, una sequenza completa per il genoma dell'aringa è stata pubblicato. Ha permesso al team di esaminare meglio le sequenze che circondano il gene AFP, alcune delle quali sembravano essere elementi trasponibili (TE o trasposoni), pezzi mobili di DNA che possono copiarsi e incollarsi in un genoma. Il genoma dell'aringa contiene molte copie di questi TE, ma sono assenti da altri pesci, con una significativa eccezione. Tre di loro fiancheggiano il gene AFP dell'odore arcobaleno, nello stesso ordine visto attorno al gene AFP dell'aringa.

Graham pensa che queste sequenze siano "la prova definitiva" che un piccolo pezzo di un cromosoma di aringa si è fatto strada in un odore. "Se qualcuno vuole contestare questo", ha detto, "sai, non vedo come potrebbero".

Cédric Feschotte, un biologo genomico della Cornell University che non è stato coinvolto nello studio, è d'accordo. "Sembra inconfondibile quando guardi i dati", ha detto. Ciò che lo intriga davvero, tuttavia, è quanto bene questa scoperta si allinei con il lavoro che lui e altri stanno facendo sugli elementi trasponibili e sull'emergere di nuovi geni.

Ad esempio, in uno studio 2008 nel Atti della National Academy of Sciences, lui e i suoi colleghi hanno identificato un nuovo tipo di TE trovato in un gruppo disparato di vertebrati, tra cui poche specie di mammiferi, un rettile e un anfibio. Questi TE erano identici per oltre il 96% in queste specie, ma erano stranamente assenti da altri genomi esaminati. Poiché gli elementi sembravano essere apparsi improvvisamente dal nulla, Feschotte e i suoi colleghi li hanno soprannominati elementi di Space Invader (SPIN) e hanno concluso che devono essersi spostati orizzontalmente di recente tra i vari lignaggi. Questi TE non erano nemmeno solo rumore genetico nei loro nuovi ospiti: i topi, ad esempio, avevano ottenuto un gene funzionale completamente nuovo cooptando un enzima dell'elemento SPIN.

Dal documento SPIN del 2008, sono stati segnalati migliaia di altri trasferimenti orizzontali di TE tra animali. Sebbene questi presunti trasferimenti orizzontali siano stati inizialmente accolti con sorpresa, proprio come lo era il gene AFP di Graham, l'evidenza è ora innegabile.

Per il contesto, vale la pena notare che i trasferimenti orizzontali possono essere difficili da rilevare: nel tempo, sempre più mutazioni si accumulano sia nel lignaggio originale che in quello ricevente, oscurando le somiglianze in un gene condiviso. Dimostrare che un gene è stato trasferito orizzontalmente dipende anche dal dimostrare che non era presente una volta in altre specie correlate e poi si è perso attraverso l'evoluzione, il che può essere difficile quando alcune di queste specie sono estinte.

"Il tasso di trasferimento orizzontale effettivo è probabilmente molto, molto più alto di quanto ci rendiamo conto", ha detto Schaack.

Sempre in movimento

Sebbene nessuno sappia quanto spesso il DNA salti tra le cellule dei vertebrati, Clement Gilbert, un biologo evoluzionista dell'Università Paris-Saclay in Francia, e i suoi colleghi hanno scoperto almeno 975 trasferimenti quando hanno analizzato i 307 genomi di vertebrati che erano disponibili pubblicamente su GenBank alla fine del 2017. Ciò che spicca in quei dati è che questi trasferimenti avvengono in modo schiacciante tra i pesci. Quasi il 94% dei trasferimenti ha riguardato pesci con pinne raggiate; meno del 3% ha coinvolto uccelli o mammiferi.

"Sono ancora molto perplesso su come questo sia possibile", ha detto.

Una spiegazione potrebbe dipendere dagli sforzi di deposizione delle uova notoriamente esuberanti delle aringhe. "Se stavi volando in aereo e guardi in basso verso la costa dove stanno deponendo le uova, l'acqua è di colore bianco latte, perché c'è così tanto sperma che viene rilasciato durante il processo di accoppiamento", ha detto Graham. La stragrande maggioranza di quegli spermatozoi non riesce a trovare gli ovuli, si degrada e rilascia il proprio DNA.

Pensa che il DNA potrebbe attaccarsi ai gameti di altre specie che si riproducono nella stessa area e quindi essere trascinato in una cellula uovo durante la fecondazione. Per decenni, gli ingegneri genetici hanno utilizzato una tecnica simile chiamata trasferimento genico mediato da spermatozoi per creare organismi transgenici. Non c'è alcuna garanzia che ciò si traduca in un inserimento del DNA di successo, ma a volte lo fa – “e poi all'improvviso, bam! Ecco qua. Hai un organismo transgenico", ha detto Graham. Questo potrebbe essere il modo in cui il gene AFP dell'aringa è entrato nell'odore e anche quanti degli altri trasferimenti genici orizzontali che Gilbert ha visto nei pesci.

Ma non può essere l'unica spiegazione: i trasferimenti genetici orizzontali si verificano anche negli animali i cui gameti non hanno la stessa opportunità di raccogliere il DNA errante.

Fare l'autostop sui parassiti

Un giorno, Davide Adelson, che studia l'evoluzione del genoma presso l'Università di Adelaide in Australia, è stato contattato per chiedere aiuto dal suo studente laureato James Galbraith, che stava assistendo un collega nell'annotare il genoma del serpente di mare oliva (Aipysurus laevis). Galbraith stava scoprendo che alcune delle sequenze non si riferivano a nient'altro che si trovasse nei rettili. Quindi Adelson e Galbraith hanno scavato più a fondo.

Alla fine, hanno scoperto prove di sette trasferimenti orizzontali di TE nel genoma del serpente di mare. Era difficile dire esattamente quali specie fossero i donatori, ma Adelson ha affermato che le migliori corrispondenze sono state trovate nei pesci e, in un caso, nei coralli.

L'ipotesi della fecondazione esterna di Graham non si adatta a questi serpenti, che fertilizzano internamente e danno alla luce piccoli vivi. Adelson punta invece sul coinvolgimento dei parassiti. "I parassiti passano da una specie all'altra, hanno cicli di vita interessanti e possono essere interni", ha spiegato. Anche gli studi sui trasferimenti orizzontali nelle specie terrestri hanno coinvolto i parassiti.

Mentre Atma Ivančević, ora postdoc presso l'Università del Colorado, Boulder, era una studentessa di dottorato di Adelson, ha tracciato la storia evolutiva degli ET attraverso i vertebrati e altre specie. Di particolare interesse per lei erano i TE chiamati BovB - piccole sequenze di circa 3,000 paia di basi con una distribuzione irregolare tra gli animali: sono nelle mucche e in alcuni marsupiali, ma in pochi mammiferi in mezzo, e si manifestano anche nei serpenti e in altri rettili . Ivancevic ha cercato prove della perdita di questi trasposoni nei lignaggi intermedi, ma non ne ha trovati.

Poi il team ha scoperto qualcosa di ancora più intrigante: i BovB molto simili a quelli delle mucche e dei serpenti erano presenti anche nelle zecche e nelle cimici. Gli studi hanno dimostrato che questi parassiti pungenti possono trasmettere virus nei loro ospiti attraverso vescicole secrete chiamate esosomi. Se anche gli TE possono finire negli esosomi, allora Ivancevic pensa che i parassiti pungenti e i loro esosomi possano agire congiuntamente come vettori per il trasferimento di TE da un ospite a un secondo ospite.

Le differenze nella frequenza con cui le varie specie vengono parassitate potrebbero quindi contribuire alla frequenza con cui rilevano i trasferimenti orizzontali. Le differenze potrebbero anche riflettere qualcosa di più basilare della loro fisiologia o biochimica: alcuni organismi possono essere meno discriminatori nell'impedire a pezzi vaganti di DNA di stabilirsi nel loro genoma. Forse la maggiore abbondanza di trasferimenti nei pesci ha più a che fare con gli animali stessi, piuttosto che con il loro habitat.

In realtà, "non c'è una sola risposta", ha detto Feschotte. "È un po' di tutto". Tuttavia, testare queste ipotesi sarebbe utile. Non solo la ricerca potrebbe rivelare potenziali fattori ambientali coinvolti; potrebbe aiutare a chiarire esattamente come avvengono questi trasferimenti.

Bombardato dal DNA

"Quante volte sto effettivamente prendendo un pezzo di DNA dal mio ambiente, e non lo so?" chiese Schaack. “Forse molto; forse più di quanto mi renda conto". Tali trasferimenti potrebbero passare inosservati a meno che non accadano nelle cellule germinali. Gli eventi di trasferimento rilevati devono quindi essere solo una piccola parte del numero completo di trasferimenti che si verificano.

La possibilità inquietante è che i trasferimenti di DNA orizzontali possano avvenire continuamente. Ad esempio, un 2020 PLoS Genetics carta hanno scoperto che i TE non solo saltano nei genomi delle zanzare, ma possono essere trasmessi ad altre specie attraverso i vermi filariali (nematodi) trasportati dalle zanzare. “Quante volte siamo stati tutti punti dalle zanzare?” chiese Adelson. “La mia opinione è che questo avvenga a un ritmo sorprendente. … Scommetto che siamo costantemente bombardati.”

Qualunque sia il tasso di trasferimenti orizzontali, il loro impatto cumulativo sulla storia evolutiva è innegabile. Prendi l'effetto del gene AFP trasferito nell'odore. "Pensiamo che non appena l'odore ha ottenuto questo gene, ha avuto un vantaggio selettivo immediato", ha detto Graham. "Quel vantaggio selettivo non è morire congelati nelle acque ghiacciate". Significava che l'odore poteva diffondersi verso nord e avere libero sfogo nell'Artico, modificando la composizione di quell'ecosistema.

Anche se gli elementi trasmissibili vengono talvolta liquidati come DNA "spazzatura", possono avere impatti drammatici. Gli elementi trasponibili sono "il settore più eccitante, dinamico e potenzialmente influente del genoma", ha affermato Schaack, soprattutto perché rappresentano "una fonte interna di mutagenesi in ogni genoma". Non solo alterano il DNA quando vengono incollati, ma poiché sono costituiti da sequenze ripetitive, la loro stessa presenza aumenta la probabilità di ricombinazione genetica.

"Qualunque cosa tu voglia, posso darti un esempio di ciò che un trasposone può fare e ha fatto", ha detto Feschotte. "Portare nuovi geni, nuove sequenze regolatorie, riorganizzare i cromosomi - lo chiami". Sottolinea che la capacità del sistema immunitario di generare una diversità astronomica di anticorpi sembra provenire da un TE che è entrato improvvisamente nel genoma dell'antenato di tutti i vertebrati mascellari 400 milioni di anni fa.

Gilbert ha convenuto che gli ET possono essere un'immensa fonte di novità genomiche. "Il fatto che questi elementi vengano trasferiti molto tra i taxa attraverso il trasferimento orizzontale, e non solo attraverso l'evoluzione verticale, significa che il trasferimento orizzontale ha un impatto importante", ha affermato.

Anche se i trasferimenti nelle cellule somatiche sono vicoli ciechi evolutivi, potrebbero influenzare la salute e la forma fisica degli individui, ha osservato Adelson. L'alterazione del genoma di qualsiasi cellula potrebbe avere ramificazioni fisiologiche, come l'attivazione di una crescita cancerosa. "Semplicemente non abbiamo alcuna idea di quale possa essere l'impatto di queste cose", ha detto.

Studi futuri potrebbero quantificare il tasso di trasferimento del DNA nella nostra vita quotidiana. I recenti progressi nel sequenziamento a cella singola ea lettura lunga mettono a portata di mano gli esperimenti necessari per vedere i trasferimenti in tempo reale, ha affermato Adelson. "Penso che la prima volta che qualcuno riferisce che c'è un trasferimento di DNA da una puntura di zanzara a un essere umano... attirerà un po' di attenzione", ha detto.

Gli sviluppi nella modellistica evolutiva e nella genetica potrebbero finalmente permetterci di cercare antichi trasferimenti di geni che erano troppo difficili da individuare solo un decennio fa. Gilbert crede che siano stati sequenziati abbastanza genomi interi da poter scansionare l'albero dei vertebrati per i trasferimenti di interi geni, proprio come lui e i suoi colleghi hanno rilevato centinaia di trasferimenti di TE. "Abbiamo pensato di farlo", ha detto. "Dobbiamo solo farlo".