Protogoniomorpha parhassus
Le macchie oculari, i segni circolari di colori contrastanti che si trovano sulle ali di molte specie di farfalle, vengono utilizzate da queste creature svolazzanti per intimidire o distrarre i predatori
Un team di scienziati guidato dalla professoressa Antónia Monteiro (1) della National University of Singapore (NUS) ha condotto uno studio di ricerca, pubblicato su journal Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA (PNAS), (2) per comprendere meglio le origini evolutive di queste macchie oculari e ha scoperto che le macchie oculari sembrano derivare dal reclutamento di una complessa rete di geni che già operava nel corpo delle farfalle per costruire antenne, gambe e persino ali.
La dottoressa Antónia Monteiro dice: «Questo nuovo studio affronta il modo in cui potrebbero originarsi nuovi tratti complessi. Questi tratti richiedono l'input di molti geni interagenti per il loro sviluppo e sono spesso illustrati dall'occhio dei vertebrati o dal flagello dei batteri. Nel nostro studio, abbiamo esaminato il modo in cui sono nate le macchie oculari delle farfalle, un esempio di un tratto complesso, e abbiamo concluso che un approccio di reclutamento in rete è adottato dalle farfalle per la creazione delle macchie oculari. Abbiamo anche identificato la specifica rete di geni che è stata probabilmente reclutata».
Il mistero di come sono costruiti gli organismi
La comprensione del reclutamento della rete genica può essere affrontata immaginando un complesso programma per computer avente migliaia di righe di codice, con ciascuna riga che rappresenta una semplice istruzione o funzione. All'interno del codice ci sono blocchi di testo, posizionati un po' più all'interno del margine, che rappresentano delle subroutine. Queste subroutine, o insiemi di istruzioni che eseguono attività specifiche, vengono scritte una sola volta nel codice, ma vengono richiamate ripetutamente dal programma durante l'esecuzione. Affinché ciò avvenga, ad ogni subroutine deve essere assegnato un nome univoco, e richiamato nel codice successivo. Un bit complesso di codice contiene spesso molte subroutine, in cui ogni subroutine univoca viene scritta solo una volta per intero.
La stessa logica di subroutine sembra valere per il modo in cui il processo di sviluppo è codificato nel DNA di un organismo. In questo caso, la subroutine è chiamata rete di regolazione genica. Una rete di regolazione genica è una catena di istruzioni che coinvolgono la trascrizione, o il silenziamento, di diversi geni in una sequenza temporale. Gli organismi sono costruiti attraverso il dispiegamento di molte di queste reti di regolazione genica, in una sequenza precisa, durante lo sviluppo. Il nuovo studio della National University of Singapore (NUS) ha scoperto che lo sviluppo di macchie oculari sulle ali delle farfalle si basa sul dispiegamento di una rete di regolazione genetica preesistente che era già utilizzata per costruire le antenne, le gambe e le ali di quelle farfalle.
La presenza di queste subroutine era stata ipotizzata in precedenza, principalmente perché gli stessi geni continuavano a essere scoperti come espressi e associati allo sviluppo di nuovi tratti. Tuttavia, non era chiaro se l'espressione di questi geni nel nuovo tratto rappresentasse nuove linee di codice del genoma, ciascuna delle quali richiedeva l'espressione di un gene preesistente o che linee di codice preesistenti venissero lette ancora una volta, in modo simile a una subroutine in un programma per computer.
Scoprire il ruolo del reclutamento della rete genica nei nuovi tratti
Per capirlo, la collega post-dottorato della NUS, la dottoressa Heidi Connahs, (3) e lo studente di dottorato, il signor Suriya Murugesan, hanno cancellato sequenze regolatorie del DNA uniche nel genoma, ma non i geni stessi, e hanno dimostrato che più tratti erano influenzati da queste mutazioni. Ciò sostiene una singola rete di regolazione genica, o subroutine, alla base dello sviluppo di tutti i tratti. I due pezzi di DNA che sono stati presi di mira erano interruttori regolatori accanto ai geni distal-less e spalt. Lo sviluppo di macchie oculari, antenne, zampe e ali è stato interrotto quando queste regioni di circa 390-700 paia di basi sono state interrotte. «È stato sorprendente osservare come questi tratti complessi e significativi siano stati influenzati dagli stessi cambiamenti nel DNA», ha affermato la dottoressa Heidi Connahs.
Il signor Suriya Murugesan ha anche sequenziato i pezzi di tessuto che sviluppano macchie oculari sulle ali e ha confrontato l'insieme completo dei geni espressi con quelli espressi in altri tratti. «Le macchie oculari condividevano il profilo di espressione genica più vicino con le antenne, ma non con le gambe o altri tessuti alari, come il margine alare», ha affermato Murugesan.
Il borsista post-dottorato della NUS, il dottor Yuji Matusoka, (4) ha quindi esaminato tre geni espressi sia nelle macchie oculari che nelle antenne e ha mostrato che le connessioni regolatorie tra loro erano identiche, con un gene importante nella regolazione di altri due. «Quando ho trovato una macchia di cellule nella regione dell'occhio senza l'espressione del primo gene, mi sono reso conto che mancava anche l'espressione degli altri due geni», ha detto il dottor Matusoka.
«Questi esperimenti si basavano sulla scoperta di mutazioni che colpivano esattamente le cellule centrali dell'occhio dopo iniezioni embrionali che hanno richiesto molta pazienza», ha affermato La professoressa Antónia Monteiro.
Nel complesso, lo studio ha evidenziato che l'evoluzione di nuovi tratti complessi, come le macchie oculari delle farfalle, procede attraverso mutazioni nel codice genetico che richiamano una subroutine preesistente nel genoma che era già utilizzata per altri tratti complessi come antenne e altri arti. I tipi di mutazioni che producono queste ridistribuzioni di reti genetiche preesistenti sono ancora da scoprire, ma si prevede che si tratti di mutazioni ordinarie che, casualmente, portano al richiamo di grandi subroutine genomiche preesistenti che coinvolgono centinaia di geni.
Il prossimo passo in questa ricerca è verificare ulteriormente se le sequenze regolatorie corrispondenti di questi due geni di specie di farfalle senza macchie oculari sono in grado di attivare l'espressione genica nella regione delle macchie oculari in specie con macchie oculari. «Questa sarebbe la ciliegina sulla torta», ha affermato la professoressa Antónia Monteiro, «perché conferma ulteriormente che una sequenza genetica da una vecchia subroutine verrà richiamata in quel nuovo posto nel corpo nelle specie con la mutazione del richiamo».
Riferimenti:
(1) Antónia Monteiro
(3) Heidi Connahs
(4) Yuji Matsuoka
Descrizione foto:
Foto sinistra: Un gufo di seta (Taenaris catopsv) farfalla con macchie oculari distintive sulle ali. - Credit: Kristof Zyskowski and Yulia Bereshpolova.
Foto destra: Primo piano di una macchia oculare dalla foresta Mother of Pearl Butterfly (Protogoniomorpha parhassus). - Credit: Emilie Dion, NUS.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: NUS discovery: Butterfly eyespots reuse gene regulatory network that patterns antennae, legs and wings