Geni in movimento

E' noto ormai da tempo che nei batteri avvengono eventi di trasferimento orizzontale di geni tra specie diverse. La rivista Science pubblica un interessante articolo in cui si cerca di capire quanto questo fenomeno possa aver influito sull'evoluzione dei genomi batterici.

E' ormai noto da tempo che in natura esistono due modalità distinte per trasferire DNA da un organismo all'altro. Il primo, definito trasferimento verticale, prevede il passaggio di DNA da un individuo ai propri figli e fa parte delle tradizionali modalità di riproduzione degli esseri viventi che tutti conosciamo, mentre il secondo meccanismo, definito trasferimento orizzontale, prevede il passaggio di DNA tra individui distinti e non necessariamente appartenenti alla stessa specie.

Il trasferimento orizzontale è un fenomeno noto da oltre 60 anni nei batteri e si può realizzare tramite coniugazione, trasformazione e trasduzione. Sebbene questa tipologia di trasferimento di geni sia stata per molti anni oggetto di discussione, è oggi opinione condivisa nella comunità scientifica che i fenomeni di trasferimento orizzontale abbiano svolto un importante ruolo nell'evoluzione dei genomi batterici e che tali eventi siano all'origine di numerose "innovazioni" batteriche, tra cui l'insorgenza di resistenza agli antibiotici ed aumentati livelli di patogenicità. La conseguenza degli eventi di trasferimento orizzontale è che i cromosomi batterici divengono quindi una sorta di mosaico di geni trasmessi verticalmente intercalati con geni trasmessi orizzontalmente. Ma che peso ha avuto il trasferimento orizzontale nell'evoluzione del genoma batterico?

L'ultimo numero della rivista Science pubblica un articolo intitolato "Genome-Wide Experimental Determination of Barriers to Horizontal Gene Transfer" in cui il gruppo di ricerca di Edward M. Rubin (Department of Energy, Joint Genome Institute, USA) conduce una approfondita analisi per verificare quanto il trasferimento orizzontale abbia inciso nell'evoluzione del genoma dei batteri. In particolare, gli autori hanno studiato le possibilità di trasferimento nel genoma di Escherichia coli di 246.045 geni appartenenti a 79 diverse specie batteriche. Le conclusioni presentate sono di grandissimo interesse, poiché viene dimostrato per la prima volta che tutti i geni hanno uguali possibilità di essere trasferiti orizzontalmente, ma il trasferimento di alcuni risulta essere dannoso per le cellule che li ricevono e quindi questi eventi sono selezionati in modo negativo. In particolare, Rubin e colleghi mostrano che oltre 1400 geni presentavano difficoltà nel trasferimento orizzontale e che questi geni sarebbero riconducibili ad una stessa categoria funzionale nel senso che sono tutti implicati nei processi di funzionamento di base della cellula batterica e quindi il loro trasferimento potrebbe alterare la normale funzionalità delle cellule batteriche. A tale riguardo, potrebbero risultare selezionati in modo negativo i trasferimenti orizzontali di geni sensibili al dosaggio ovvero di quei geni che, se presenti in quantità superiori rispetto al normale, possono alterare in modo irreversibile il metabolismo batterico.

Un ulteriore elemento di grande interesse che emerge dal lavoro di Rubin e colleghi è che il trasferimento di geni tra batteri filogeneticamente distanti sarebbe "più facile" rispetto a quello tra batteri filogeneticamente correlati. Questo aspetto è molto interessante, poiché ci indica che il trasferimento di geni tra batteri di specie correlate, può avvenire, ma spesso si ha un immediato effetto negativo legato al fatto che il gene trasferito interferisce con l'espressione dei geni ortologhi presenti nella cellula ricevente. Al contrario, quando arrivano geni da specie batteriche non filogeneticamente correlate non si ha un immediato effetto negativo e quindi l'acquisizione del nuovo gene non solo non danneggia la cellula ricevente, ma anzi le può conferire un vantaggio.

Sebbene il lavoro di Rubin e colleghi sia una simulazione realizzata in modo "forzato" in laboratorio di ciò che può avvenire in natura, il quadro che emerge è impressionante, poichè la quantità di geni che si può spostare per trasferimento orizzontale è estremamente ampia (oltre 240.000 geni!).

Questi dati, se confermati anche in altre specie batteriche e quindi non frutto di qualche peculiarità di E. coli usato come modello sperimentale, indicherebbero che potrebbe essere necessario rivedere il modo in cui le diverse specie batteriche sono state definite e correlate filogeneticamente, poiché i geni trasferiti orizzontalmente potrebbero aver "falsato" gli alberi filogenetici ottenuti. E' infatti evidente che geni in grado di muoversi (e a quanto pare tanti, tantissimi geni!!!) potrebbero far erroneamente considerare filogeneticamente correlate specie, che in realtà condividono solamente alcuni geni acquisiti per trasferimento orizzontale. L'albero filogenetico dei batteri andrebbe quindi rivisto e forse andrebbe sostituito con una sorta di "web of life", che rifletta non solamente le relazioni filogenetiche, ma anche i documentati eventi di trasferimento orizzontale, come suggerito da James McInerney e Davide Pisani nella perspective intitolata "Paradigm for Life" pubblicata nello stesso volume di Science dell'articolo di Rubin e colleghi.

Eventi di trasferimento orizzontale sono stati descritti anche tra procarioti ed eucarioti pluricellulari, anche se sono sicuramente più rari (se si escludono i processi che hanno portato il trasferimento di geni dai mitocondri e dai cloroplasti al genoma nucleare). In questo caso però il trasferimento era favorito dal fatto di essere a livello intracellulare e di non prevedere una fase di trasferimento di DNA tra individui diversi. Recentemente un esempio di trasferimento orizzontale tra procarioti ed eucarioti era stato pubblicato da Julie C. Dunning Hotopp (Institute for Genomic Research, J. Craig Venter Institute, USA) su Science, in cui si mostrava come il batterio Wolbachia pipientis avesse trasferito il proprio genoma completo, o parti di esso, in organismi pluricellulari ed in particolare in insetti e nematodi (come segnalato su Pikaia da Paola Nardi ad inizio settembre 2007). Lo stesso articolo dimostrava, inoltre, che i geni trasferiti erano attivamente trascritti e che quindi potevano essere stati utilizzati per svolgere nuovi ruoli, dato il nuovo contesto genomico in cui venivano a trovarsi. Nel complesso questo articolo mostrava quindi che vi può essere un trasferimento di geni tra eucarioti ed i propri simbionti procariotici, con la possibilità che i geni trasferiti orizzontalmente venissero ad essere integrati nei network genici eucariotici ed utilizzati per svolgere nuove funzioni.

E' stata infine descritta una seconda modalità di trasferimento di geni che prevede il trasferimento di geni tra procarioti ed eucarioti unicellulari, in cui i procarioti fagocitati come cibo divengono anche sorgente di tratti di DNA che vengono introdotti nel genoma dell'eucariote unicellulare (food hypothesis). Questo meccanismo, proposto ad esempio per Trichomonas e Entamoeba, sembrerebbe non essere applicabile ad eucarioti pluricellulari.
Lo scambio di geni sembra tuttavia non conoscere limiti, poiché così come vi può essere una sorta di flusso di geni tra procarioti ed eucarioti, alcuni autori anno mostrato movimento di geni in direzione opposta. In particolare, Patrick J Keeling (Canadian Institute for Advanced Research, University of British Columbia, Canada) ha recentemente pubblicato su BMC Biology un articolo dal titolo "Horizontal transfer of a eukaryotic plastid-targeted protein gene to cyanobacteria" in cui si dimostra il trasferimento di un gene dal genoma di un'alga rossa a quello di cianobatteri appartenenti ai generi Synechococcus e Prochlorococcus.

In una celeberrima tragedia di William Shakespeare, Amleto dice all'amico Orazio "Ci son più cose in cielo e in terra, Orazio, che non sogni la tua filosofia" (Amleto, Scena V). Questa frase non cessa mai di stupirmi per l'efficacia con cui descrive il senso di meraviglia che come evoluzionista provo a fronte dei numerosi meccanismi che i viventi hanno utilizzato nel corso dell'evoluzione per evolvere nuove funzioni. Risulta, infatti, oggi sempre più evidente che non possiamo aspettarci una gradualità nella "comparsa" di una specifica caratteristica fenotipica, poiché essa potrebbe essere un'innovazione dovuta a fenomeni diversi e tra loro indipendenti che vanno dal trasferimento genico alla exaptation.
Per molti tratti fenotipici quindi non avrebbe senso cercare "anelli mancanti" semplicemente perchè questi non sarebbero "mancanti", ma mai esistiti.

Mauro Mandrioli

Ringraziamenti: Un sincero ringraziamento a Paolo Coccia per i preziosi suggerimenti che mi ha dato durante la stesura di questo breve saggio.

Per saperne di più:
Particolarmente interessante è lo special issue dal titolo “Thematic Issue on Horizontal Gene Transfer” pubblicato nel 2007 dalla rivista Environmental Biosafety Research nel volume numero 6 (issue No. 1-2 - January-June 2007). Il volume è interamente accessibile in modo gratuito.
Thomas CM, Nielsen KM (2005) Focus on horizontal gene transfer. Mechanisms of, and barriers to, horizontal gene transfer between bacteria. Nature Review Microbiology 3: 711-721.
Syvanen M (1994) Horizontal gene transfer: evidence and possible consequences. Annual Review of Genetics 28:237-261.
Gogarten JP, Murphey RD, Olenzenski L (1999) Horizontal Gene Transfer: Pitfalls and Promises. Biological Bullettin 196: 359-362.
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Ho MW, Ryan A (2001) Horizontal Gene Transfer, ISIS Reprints, Institute of Science in Society, London.