SOPRA: Una femmina Melanocetus johnsonii lunga 75 mm con un maschio lungo 23,5 mm attaccato alla pancia
EDITH A. WIDDER
La rana pescatrice di Krøyer, Ceratias holboelli, non depone le uova, si accoppia o fa qualsiasi cosa un pesce farebbe normalmente per accoppiarsi. Anziché, il maschio-solo pochi centimetri di lunghezza-si stringe sul corpo della femmina relativamente gigantesca e non lascia mai andare. Lentamente, il suo corpo si trasforma in lei, le sue cellule diventano sue, compresi i suoi testicoli, che sono usati per fare la prole. Mentre scompare, due individui diventano uno-prendendo il concetto di monogamia ad un nuovo livello.
Il sottordine della rana pescatrice d’altura, composto da quasi 170 specie conosciute, mostra probabilmente le abitudini di accoppiamento più drammatiche nel regno animale. In alcune specie, i maschi si attaccano solo temporaneamente alle femmine e poi si separano. In altri, come C. holboelli, i maschi si “fondono” permanentemente con le femmine, o le femmine assorbono più maschi—in alcuni casi fino a otto alla volta.
Tra i tanti misteri che circondano questi rendezvous in acque profonde-sono stati catturati solo dalla fotocamera per la prima volta nel 2018—c’è quello immunologico. Praticamente in tutti gli altri vertebrati adulti, l’introduzione di tessuto da un individuo all’altro provocherebbe una potente risposta immunitaria che attacca le cellule estranee. Perché la rana pescatrice femmina, immunologicamente parlando, non rifiuta questi maschi parassiti?
Una nuova analisi genomica di 13 specie di rana pescatrice pubblicata oggi (30 luglio) su Science fornisce alcuni indizi. I genomi di specie che si fondono temporaneamente o permanentemente con i loro compagni hanno subito alterazioni radicali dei geni chiave che sostengono l’immunità adattativa – un ramo del sistema immunitario responsabile del rigetto di tessuti estranei—rendendo alcuni di loro i primi casi noti di vertebrati che mancano effettivamente di un sistema immunitario adattivo. Nel corso dell’evoluzione, i cambiamenti nei geni coinvolti nella produzione di anticorpi e le risposte citotossiche delle cellule T possono aver aperto la strada alle strane abitudini riproduttive degli animali, mentre per gli scienziati solleva domande su come i pesci si difendono dagli agenti patogeni nelle profondità marine.
“È piuttosto scioccante”, osserva la genetista Elizabeth Murchison dell’Università di Cambridge che non è stata coinvolta nello studio. “Suppongo che non dovremmo avere troppi preconcetti su ciò che è e non è possibile in natura. L’evoluzione produce ogni sorta di risultati stravaganti, e questo è uno di questi.”
L’immunologo Thomas Boehm e i suoi colleghi del Max Planck Institute of Immunology and Epigenetics in Germania volevano da tempo sapere come alcune specie di rana pescatrice possono formare fusioni corporee tra individui e si proponevano di fare un’analisi dei genomi degli animali. I campioni biologici provenienti dal mare profondo sono difficili da trovare, ma con l’aiuto dell’ittiologo Theodore Pietsch, esperto di pesci rana pescatrice presso l’Università di Washington, il team è stato in grado di ottenere campioni di tessuto da diverse collezioni di campioni.
Boehm e i suoi colleghi hanno sequenziato il DNA da 31 esemplari, che rappresentano 13 specie di rana pescatrice di acque profonde. Che comprendeva quattro specie che si accoppiano per attaccamento temporaneo e sei specie che formano fusioni permanenti-tre di loro in modo one-to-one, e tre che hanno più maschi si fondono con una sola femmina. Il team comprendeva anche tre specie di controllo provenienti da altri gruppi di pescatori in cui i maschi non si attaccano mai alle femmine.
Il team ha esaminato una manciata di geni ben caratterizzati noti per essere attori chiave nella risposta immunitaria adattativa. In primo luogo, hanno esaminato i geni che codificano le principali proteine del complesso di istocompatibilità (MHC) di classe I e II dei pesci, molecole di superficie cellulare che differiscono tra gli individui e consentono alle cellule T di distinguere le cellule del corpo da quelle estranee. Sono i recettori MHC di classe I che guidano le cellule T citotossiche ad attaccare le cellule estranee nei trapianti di tessuti.
È interessante notare che le sei specie che si attaccano permanentemente hanno mostrato alterazioni insolite e significative ai loro geni MHC, che erano ancora più gravi nelle tre specie in cui più maschi si fondono con ogni femmina. I ricercatori hanno anche trovato alterazioni nei geni che codificano i recettori delle cellule T citotossiche che interagiscono con le proteine MHC di classe I. In tutti e sei gli attachers permanenti, ad esempio, due geni che codificano tali recettori mancavano del tutto, suggerendo che lo smantellamento della reattività citotossica delle cellule T potrebbe essere necessario per consentire a diversi individui di rana pescatrice di accoppiarsi.
Poiché gli anticorpi diretti contro tessuti estranei sono noti anche per causare complicazioni nei pazienti durante i trapianti di tessuto, il team ha anche esaminato alcuni geni che sono alla base della generazione di anticorpi. Sebbene molti di questi geni sembrassero intatti nella maggior parte delle specie di rana pescatrice, hanno scoperto che l’aicda, che svolge un ruolo importante nella creazione di anticorpi specifici, era effettivamente assente in tutte e 10 le specie che formano allegati temporanei o permanenti, mentre era intatto nelle tre specie di controllo. Alcuni geni rag, che sono anche coinvolti nella formazione di anticorpi, avevano accumulato mutazioni deleterie in specie che si accoppiano come gruppi di maschi, mentre quei geni erano relativamente intatti in specie che si accoppiano in modo uno a uno come C. holboelli.
Nel complesso, l’attaccamento più estremo tra i compagni, più estreme sono state le modifiche ai geni dell’immunità adattativa, osserva il team. Mentre l’attaccamento temporaneo sembrava richiedere solo risposte anticorpali ridotte, le fusioni permanenti one-to-one sembravano essere associate anche alla riduzione della funzione delle cellule T citotossiche. Nel caso di più compagni, questo è stato caratterizzato da ancora più cambiamenti, come l’ottundimento delle risposte anticorpali e la perdita di geni rag.
Per l’immunologo e virologo dell’University College London Ariberto Fassati, che non è stato coinvolto nello studio, i risultati sono sorprendenti. Molti scienziati presumono che il sistema immunitario, una volta stabilito, si evolverebbe solo in una direzione, “verso il diventare più adattivo e più specifico”, afferma Fassati. “Ma questo sembra che si può effettivamente perdere le braccia del sistema immunitario adattivo . . . se le pressioni evolutive sono giustificate.”A sua conoscenza, le specie di rana pescatrice di acque profonde sono i primi casi di vertebrati che hanno perso un ramo così enorme della loro immunità adattativa.
In molti altri vertebrati, la rimozione di parti del sistema immunitario adattivo ha conseguenze catastrofiche. I bambini nati con mutazioni nel gene rag, ad esempio, sono gravemente malati o muoiono rapidamente se non ricevono un trattamento attraverso un trapianto di midollo osseo, osserva Boehm.
Una ragione per cui il sistema immunitario adattivo è pensato per essere così cruciale è perché molti agenti patogeni e parassiti hanno imparato a superare in astuzia la meno specifica, front-line innata difesa immunitaria, Fassati dice. Ad esempio, molti virus, incluso il colpevole della pandemia di COVID-19 in corso, SARS-CoV-2, possono arginare la produzione del corpo di interferoni che guidano l’infiammazione, che fanno parte della difesa immunitaria innata, aggiunge. Il fatto che alcuni pesci pescatore sono apparentemente andare d “accordo bene senza un sistema immunitario adattativo completamente intatto è” abbastanza notevole.”
Questa scoperta solleva la questione di come riescono a difendersi dagli agenti patogeni nelle profondità marine. Boehm ipotizza che sia il pesce deve aver evoluto qualche altro sistema immunitario del tutto, o forse hanno trovato modi per far salire il loro innato meccanismo immunitario per compensare la mancanza di una risposta immunitaria adattativa. Forse potrebbero raggiungere questo obiettivo esprimendo continuamente interferoni, ipotizza, mettendo i loro corpi in costante allerta e rendendo più difficile per virus e altri agenti patogeni stabilire infezioni. Per dimostrarlo, avrebbe bisogno di tessuto fresco dove poter esaminare l’espressione genica.
” Non vedo l’ora di ottenere animali in cui estrarre l’RNA e cercare i livelli di espressione di questi . . . geni correlati all’interferone”, dice. Scoprire come alcuni pesci pescatore fanno fronte dopo aver perso l’immunità adattativa potrebbe essere utile nella ricerca di trattamenti per i pazienti immunodeficienti, aggiunge.
Per lui, i risultati pongono anche un dilemma di pollo o uovo: quale è venuto prima, le modifiche all’architettura genetica alla base dell’immunità adattativa o la strategia di accoppiamento di fusione? Una delle specie che ha esaminato potrebbe offrire un indizio. Si pensa che Gigantactis vanhoeffeni si accoppi attraverso l’attaccamento temporaneo, ma mostra alcune delle stesse alterazioni ai geni immunitari delle specie che si attaccano in modo permanente. Boehm dice che pensa che G. vanhoeffeni potrebbe essere” in rotta verso l’attaccamento permanente ” evolutivamente. “Sembra che alcuni cambiamenti al genoma immunitario devono verificarsi prima di questa fusione permanente può davvero impostare in. Sembra che ci sia qualche pressione evolutiva ancora sconosciuta di qualche tipo che fa sì che questi geni si estinguano o defunti.”
Gil Rosenthal, un biologo evoluzionista presso la Texas A & M University, dice che si chiede quali potrebbero essere quelle pressioni evolutive. La rana pescatrice di acque profonde è estremamente dimorfica sessualmente, osserva in una e-mail allo scienziato. “Le femmine sono questi mostri con zanne luminose da incubo, ei maschi sono piccole piccole cose con un enorme testicolo e un enorme naso.”Le femmine sono probabilmente sparse nel mare profondo, quindi è probabile che i maschi trascorrano molto tempo a cercarle, spiega. Quando un maschio finalmente trova una femmina, sarebbe nel suo interesse a rimanere vicino. Se succede che la femmina ha interessi contrastanti—come mangiare i maschi-potrebbe impostare il pesce per “conflitto sessuale.”Quella situazione potrebbe in qualche modo portare a un tiro alla fune genomico sul sistema immunitario, ipotizza Rosenthal. “Non sarei sorpreso se alcuni dei rottami del genoma immunitario provenissero da conflitti sessuali.”
Non sarebbe il primo esempio di un compromesso tra comportamento sessuale e funzione del sistema immunitario, aggiunge, notando che nei vertebrati, il testosterone può deprimere la funzione del sistema immunitario e migliorare le esposizioni sessuali maschili. Tuttavia, ” che così tanto di esso è chiuso o rimodellato in è solo selvaggio!”
A Rosenthal e Murchison, i risultati sottolineano come la rivoluzione genomica abbia permesso ai ricercatori di avventurarsi oltre organismi modello ben compresi nei laboratori ed esplorare i diversi adattamenti della vita sulla Terra. ” C’è così tanto da imparare non solo sull’immunità, ma su tutta la biologia, esplorando lignaggi evolutivamente divergenti”, dice Murchison. “E non sai mai veramente cosa troverai perché la natura è così ampia e diversificata e c’è così tanto adattamento a nicchie molto specializzate.”
J. B. Swann, et al. ” L’immunogenetica del parassitismo sessuale”, Scienza, doi: 10.1126 / scienza.aaz9445, 2020.