Questa idea è stata a lungo utilizzata per descrivere le situazioni di stallo evolutivo tra le specie, come gli ospiti e i parassiti o gli agenti patogeni che le attaccano. Ma vale anche molto più vicino a casa. « Anche se in genere usiamo questa metafora per descrivere la corsa agli armamenti evolutiva tra ospiti e parassiti o ospiti e agenti patogeni, l’ipotesi della Regina Rossa caratterizza anche le battaglie in corso all’interno del nostro genoma », afferma Mia Levine, biologa dell’Università della Pennsylvania.

Quando il DNA si rivolta contro se stesso

Non tutto il DNA funziona silenziosamente a beneficio della cellula. Alcune sequenze si comportano in modo egoistico, spiega Levine. Gli elementi genetici mobili possono copiare o ritagliarsi da una posizione e inserirsi in un’altra, a volte danneggiando i geni o altri tratti critici del DNA nel processo. Le cellule hanno sviluppato difese molecolari per contrastare questi elementi, utilizzando sistemi che li rilevano, li spengono o ne bloccano fisicamente il movimento.

Questo costante conflitto interno solleva un mistero di vecchia data. Come possono alcuni dei processi più essenziali e affidabili della vita dipendere da proteine ​​che devono cambiare rapidamente per stare al passo con le minacce genetiche?

Telomeri e i loro protettori che cambiano forma

Levine e i suoi colleghi hanno deciso di rispondere a questa domanda studiando i moscerini della frutta conosciuti come Drosophila melanogaster. Si sono concentrati sui geni coinvolti nella costruzione dei telomeri, i cappucci protettivi alle estremità dei cromosomi che Levine paragona alle punte di plastica dei lacci delle scarpe.

I loro risultati, pubblicati in Scienzamostrano che sebbene il ruolo di queste proteine ​​rimanga lo stesso, proteggendo le estremità dei cromosomi, le proteine ​​stesse sono in continua evoluzione per difendersi dal DNA egoista.

Le estremità dei cromosomi devono essere protette dall’attaccamento, un fallimento che può innescare instabilità genetica, problemi di fertilità e persino morte cellulare o di organismi. Per evitare ciò, sei proteine ​​si uniscono per formare un complesso di protezione finale che si lega al DNA telomerico.

Evoluzione rapida nelle proteine ​​essenziali

Tra queste sei proteine, due si distinguono. La proteina HipHop e il suo partner HOAP si evolvono molto più rapidamente delle altre, ma entrambe sono assolutamente necessarie per la protezione dei telomeri.

« Offriamo un primo assaggio dell’affascinante biologia fedelmente preservata da un complesso multiproteico essenziale le cui subunità sono sotto una potente pressione evolutiva per il cambiamento », afferma Levine.

Per vedere se queste proteine ​​devono evolversi insieme o (coevolvere), il team ha utilizzato strumenti di modifica genetica per sostituire la proteina HipHop in D. melanogaster con la versione di una specie strettamente imparentata, D. yakuba.

Il risultato è stato drammatico. Quando le mosche hanno prodotto il D. yakuba versione di HipHop invece della propria, non sono sopravvissuti. Le loro cellule mostravano estremità cromosomiche diffuse che si fondevano insieme.

Sei aminoacidi fanno la differenza

I ricercatori hanno poi invertito parte del cambiamento. Sostituendo solo sei amminoacidi che si evolvono in modo adattivo, gli elementi costitutivi delle proteine D. yakuba HipHop torna al D. melanogaster versione o aggiungendo il file D. yakuba forma di HOAP, sono stati in grado di ripristinare il corretto reclutamento delle proteine, proteggere i telomeri e mantenere in vita le mosche.

Levine spiega che man mano che HOAP cambia per sopprimere le minacce genetiche interne, HipHop è costretto ad adattarsi al suo fianco per mantenere la partnership.

Non è ancora chiaro come il DNA egoista interferisca con queste proteine. « Ma segni evolutivi simili nei primati suggeriscono che questo tipo di evoluzione compensatoria potrebbe essere diffusa e il suo studio potrebbe chiarire come i genomi mantengano funzioni antiche mentre si adattano a minacce in continuo cambiamento », dice Levine.

Gruppo di ricerca e supporto

Mia T. Levine è professoressa associata presso il Dipartimento di Biologia della School of Arts & Sciences dell’Università della Pennsylvania. Altri autori includono Briana N. Cruga, Hannah Futeran, Andrew Santiago-Frangos e Sung-Ya Lin di Penn Arts & Sciences.

Questa ricerca è stata supportata dal National Institutes of Health (Grants R35GM124684 e R00GM147842.)