Duplicazioni dell'intero genoma nei Chelicerati: nuove scoperte

Le duplicazioni del genoma intero (WGD) succedono quando un organismo riceve due set completi di cromosomi dai suoi genitori. Questo può essere problematico, ma a volte, il materiale genetico extra dà a certe specie un vantaggio, permettendo loro di sopravvivere e prosperare. Questo porta alla formazione di un nuovo tipo di organismo, conosciuto come Poliploide, che ha più dei soliti due set di cromosomi. Le WGD hanno avuto un ruolo significativo nell'evoluzione di varie forme di vita, specialmente piante e alcuni funghi e animali. Nelle piante, le WGD sono abbastanza comuni, mentre in gruppi come funghi e vertebrati avvengono meno spesso.

Un processo importante che avviene dopo le WGD è chiamato diploidia. Questo significa che i geni e i cromosomi in più vengono gradualmente persi, e il genoma dell'organismo torna a uno stato simile a quello di avere due set di cromosomi. Anche dopo questo processo, si possono trovare segni della WGD originale nel DNA di questi organismi. Ad esempio, se ci sono più copie di geni del previsto, potrebbe indicare un evento WGD passato. Per scoprire quando sono avvenute queste duplicazioni, i ricercatori usano vari metodi.

Un approccio prevede di confrontare gli alberi genici con gli alberi delle specie. Facendo così, possono rintracciare gli eventi di duplicazione e collegarli ai punti corretti sull'albero delle specie. Un altro metodo esamina le differenze tra coppie di geni nella stessa specie. Quando avviene una WGD, generalmente porta a un aumento di queste differenze. Infine, i ricercatori possono anche esaminare aree del genoma che mantengono la loro struttura dopo una WGD, poiché queste regioni possono fornire prove dell'evento di duplicazione.

Recentemente, gli scienziati hanno suggerito WGD in un gruppo di animali noti come Chelicerati. Questo gruppo comprende granchi a ferro di cavallo, ragni marini, acari, zecche, scorpioni, e ragni. Le prove suggeriscono che i granchi a ferro di cavallo potrebbero aver vissuto WGD durante la loro evoluzione. Guardando i conteggi delle duplicazioni geniche, le stime delle differenze geniche e le disposizioni dei blocchi genici, i ricercatori trovano indizi di WGD nei granchi a ferro di cavallo. Gli studi concentrati sul cluster genico Hox suggeriscono anche che queste duplicazioni potrebbero essersi verificate da una a tre volte nella storia dei granchi a ferro di cavallo. Metodi simili indicano possibili eventi WGD negli antenati di ragni e scorpioni.

Tuttavia, molti di questi studi si sono basati su un numero limitato di geni o genomi. Alcuni studi recenti hanno persino messo in discussione la visione tradizionale che i granchi a ferro di cavallo siano strettamente imparentati con gli aracnidi, il gruppo che include ragni e scorpioni. C'è la possibilità che gli aracnidi possano avere origini multiple. Nuove prove suggeriscono che i granchi a ferro di cavallo potrebbero essere più strettamente imparentati con ragni e scorpioni di quanto si pensasse in precedenza. Questa nuova prospettiva potrebbe cambiare il modo in cui i ricercatori interpretano gli eventi WGD in questo gruppo animale.

Per indagare ulteriormente, gli scienziati hanno esaminato i genomi completi di 17 specie di chelicerati. Hanno usato diversi metodi analitici per cercare antiche WGD. Questi metodi includevano il confronto degli alberi genici, l'analisi delle differenze geniche e l'analisi della disposizione dei geni nel genoma. Con vari alberi di specie come riferimento, i ricercatori non hanno trovato prove di una WGD nella storia dei ragni e degli scorpioni. Tuttavia, i dati puntano a almeno un evento WGD durante l'evoluzione dei granchi a ferro di cavallo.

Per cercare WGD, i ricercatori hanno iniziato scaricando 18 genomi di chelicerati da vari database. I genomi che hanno studiato includevano diversi tipi di acari, ragni, scorpioni e granchi a ferro di cavallo. Per la loro analisi, hanno trattato certi gruppi di acari come ordini separati. Hanno anche incluso due specie di insetti come riferimento per la loro analisi filogenetica.

Nelle loro analisi, è stato notato che una specie di granchio a ferro di cavallo aveva un numero insolitamente alto di geni. Questa osservazione potrebbe indicare una recente WGD in questa specie. Tuttavia, era importante controllare la lunghezza media dei geni in questo organismo, che risultò essere molto più corta rispetto ad altre specie di granchi a ferro di cavallo. Questa discrepanza ha sollevato preoccupazioni su potenziali errori nei dati, portando i ricercatori a escludere questa specie dalle loro analisi. In definitiva, il dataset utilizzato per la ricerca includeva 17 specie di chelicerati e due gruppi di insetti, coprendo quasi 600 milioni di anni della loro evoluzione.

Come parte dell'analisi, i ricercatori hanno estratto sequenze geniche da ciascuna delle specie e le hanno raggruppate in famiglie. Hanno poi filtrato queste sequenze per garantire accuratezza e le hanno convertite in sequenze di amminoacidi per dedurre gli alberi genici. Usando questi alberi genici, hanno costruito un albero delle specie che ha fornito intuizioni sulle relazioni tra le diverse specie studiate.

I ricercatori hanno poi usato uno strumento per determinare se ci fossero state WGD nella filogenesi dei chelicerati. Hanno testato vari alberi delle specie, incluso uno che riflette la visione tradizionale che i granchi a ferro di cavallo sono separati dagli aracnidi. Le loro analisi non hanno mostrato prove di WGD in ragni o scorpioni. Ogni volta che hanno esaminato questi gruppi, la spiegazione migliore per la storia della Duplicazione genica era un modello che non includeva le WGD.

Al contrario, l'analisi ha rivelato un numero significativo di duplicazioni nella linea che porta ai granchi a ferro di cavallo. Questo risultato è stato coerente attraverso diversi alberi di specie, suggerendo eventi evolutivi sostanziali nella storia dei granchi a ferro di cavallo. Anche se nessuna singola analisi ha fornito uno scenario WGD chiaro, più prove hanno puntato verso uno o più possibili eventi di duplicazione nei granchi a ferro di cavallo.

Per capire il potenziale per le WGD, i ricercatori hanno anche esaminato le disposizioni geniche nei genomi alla ricerca di prove di sintenia, che si riferisce alla disposizione conservata dei geni. Hanno trovato schemi significativi di disposizione genica in alcune specie di granchi a ferro di cavallo, e picchi nelle differenze geniche suggerivano che una WGD potesse essere avvenuta.

Attraverso il loro studio completo delle WGD nei Chelicerati, i ricercatori sono stati in grado di costruire un albero filogenetico basato sui loro dati genomici. I loro risultati hanno mostrato che i granchi a ferro di cavallo sono nidificati all'interno degli aracnidi, particolarmente sorella di ragni e scorpioni, confermando studi molecolari recenti. Questo risultato suggerisce che l'idea tradizionale che i granchi a ferro di cavallo siano associati a tutti gli aracnidi potrebbe non essere corretta. Invece, potrebbe essere più preciso vedere questo gruppo come strettamente imparentato con certi aracnidi.

In generale, questa ricerca fa luce sulle antiche WGD e le loro implicazioni per capire l'evoluzione dei Chelicerati. Sottolinea l'importanza di usare prove di genoma intero piuttosto che studi isolati sui geni per fare inferenze più sicure sugli eventi evolutivi. Nei granchi a ferro di cavallo, le connessioni tra le duplicazioni geniche, le disposizioni geniche e la divergenza tra i geni supportano la presenza di antiche WGD.

Al contrario, non sono state identificate prove simili nelle linee che portano a ragni e scorpioni. Lo studio sottolinea la necessità di dati completi nel rivelare la complessa storia evolutiva di diversi gruppi e nel perfezionare la nostra comprensione delle relazioni tra gli organismi viventi.