Sequenziato, pubblicato e analizzato il genoma del vertebrato più longevo: lo squalo della Groenlandia
Sara Ferrando e Fulvio Garibaldi, del Dipartimento di Scienze della Terra, dell'Ambiente e della Vita dell'Università di Genova, fanno parte del consorzio che ha sequenziato, pubblicato e parzialmente analizzato il genoma del vertebrato più longevo a oggi conosciuto, lo squalo della Groenlandia.
Lo squalo della Groenlandia
Lo squalo della Groenlandia (Somniosus microcephalus), un abitante misterioso delle profondità dell'Atlantico settentrionale e dell'Oceano Artico, è il vertebrato più longevo del mondo, con un'aspettativa di vita stimata attorno ai 400 anni. Un team internazionale di scienziati ha mappato per la prima volta il genoma dello squalo della Groenlandia e i dati suggeriscono che la capacità di questo animale di riparare il proprio DNA potrebbe spiegare la sua eccezionale longevità – e quella di altri animali.
Il lavoro del team per decodificare la struttura genetica di questo animale fornirà nuove informazioni sui meccanismi generali che permettono la longevità.
A cosa serve questa scoperta?
"Il genoma dello squalo della Groenlandia rappresenta un passaggio fondamentale per comprendere i meccanismi molecolari dell'invecchiamento in questa specie straordinariamente longeva", afferma Steve Hoffmann, biologo computazionale presso il Fritz Lipmann Institute for Aging a Jena, in Germania. I ricercatori si aspettano che lo studio dello squalo della Groenlandia sia essenziale anche per molti altri organismi. "Esplorare le basi genetiche della vasta diversità nella durata della vita nell'albero della vita offre una prospettiva completamente nuova per investigare i meccanismi che permettono una longevità eccezionale", spiega Alessandro Cellerino, neurobiologo presso il Fritz Lipmann Institute for Aging e la Scuola Normale Superiore di Pisa.
Solo pochi animali complessi vivono più a lungo dell'uomo. Esempi sorprendenti sono le tartarughe giganti, come Jonathan, un esemplare di 191 anni che attualmente risiede a Sant'Elena. Tuttavia, questo record impallidisce rispetto allo squalo della Groenlandia. Il team di scienziati del Fritz Lipmann Institute for Aging, della Ruhr University Bochum, della Scuola Normale Superiore di Pisa, dell'Università di Copenaghen e del CNR-IBF Pisa, in collaborazione con altre istituzioni tra cui l'Università di Genova, ha sequenziato il genoma di questa specie iconica, pubblicato i primi risultati su bioRxiv e reso disponibile la sequenza genomica. Finora, i dati suggeriscono che il tool-kit per la riparazione del DNA dello squalo della Groenlandia potrebbe essere una delle chiavi della sua straordinaria longevità.
Un genoma doppio di quello umano
La dimensione del genoma dello squalo ha rappresentato una delle prime sfide del progetto. Con 6,5 miliardi di coppie di basi, il codice genetico dello squalo della Groenlandia è il doppio di quello umano, ed è tra i più grandi genomi di squali sequenziati fino ad oggi. "Ci sono pochi animali sequenziati finora che possiedono un genoma ancora più grande", afferma Arne Sahm, primo autore dello studio, riferendosi agli studi recenti sul genoma dell'axolotl e di un pesce polmonato.
Come per l'axolotl e il pesce polmonato, la dimensione massiccia del genoma dello squalo della Groenlandia è dovuta principalmente alla presenza di elementi ripetitivi e spesso autoreplicanti. Tali elementi trasponibili, talvolta chiamati "geni saltellanti" o "geni egoisti" e spesso considerati parassiti genomici, rappresentano oltre il 70% del genoma dello squalo della Groenlandia. Curiosamente, un alto contenuto di ripetizioni è spesso considerato dannoso, poiché i geni saltellanti possono distruggere l'integrità di altri geni e ridurre la stabilità generale del genoma. Nel caso dello squalo della Groenlandia, tuttavia, l'alto contenuto di ripetizioni non sembra aver limitato la sua longevità.
Al contrario, i ricercatori sospettano che l'espansione degli elementi trasponibili possa aver persino contribuito alla straordinaria longevità dello squalo della Groenlandia. A volte, altri geni più funzionalmente rilevanti possono "appropriarsi" del meccanismo molecolare codificato dagli elementi trasponibili per moltiplicarsi.
Il team suggerisce che diversi geni normali abbiano sfruttato questa opportunità durante l'evoluzione dello squalo della Groenlandia. Sorprendentemente, molti dei geni duplicati sono coinvolti nella riparazione dei danni al DNA. "In ciascuna delle nostre cellule, il DNA subisce danni migliaia di volte al giorno, e meccanismi molecolari specializzati lo riparano costantemente. Un risultato notevole degli studi genomici comparativi è che le specie di mammiferi longeve sono eccezionalmente efficienti nel riparare il loro DNA", spiega Cellerino. Pertanto, i risultati del team indicano che la riparazione del DNA potrebbe rappresentare un meccanismo generale alla base dell'evoluzione della longevità eccezionale. "Siamo tentati di speculare che l'evoluzione dello squalo della Groenlandia abbia trovato un modo per controbilanciare gli effetti negativi degli elementi trasponibili sulla stabilità del DNA, appropriandosi del loro stesso meccanismo", aggiunge Arne Sahm.
I ricercatori sono anche ansiosi di saperne di più sui meccanismi che controllano la diffusione degli elementi trasponibili. "Ora possiamo iniziare a rispondere se il silenziamento degli elementi trasponibili negli squali della Groenlandia è diverso rispetto ad altre specie", afferma Helene Kretzmer del Max Planck Institute for Molecular Genetics.
La proteina p53
Il team ha anche individuato una specifica alterazione nella proteina p53, nota anche come "guardiano del genoma". Sorprendentemente, p53 funge da centro di controllo che risponde ai danni al DNA negli esseri umani e in molte altre specie. "Questa proteina è mutata in circa la metà di tutti i tumori umani ed è il più importante soppressore di tumori che conosciamo. Pertanto, è un gene essenziale per la longevità", afferma Steve Hoffmann. Tuttavia, sono necessari ulteriori studi per mostrare fino a che punto i cambiamenti osservati nei geni critici (come p53 e le vie molecolari, ad esempio le duplicazioni dei geni di riparazione del DNA o le variazioni nei soppressori tumorali) contribuiscono alla straordinaria longevità degli animali.
La base per molte future ricerche
"Il nostro progetto genomico fornisce ora una base per molti studi indipendenti che ci aiuteranno a comprendere meglio l'evoluzione di questa specie straordinaria", sottolinea Paolo Domenici del CNR-IBF Pisa. "Questo è uno dei motivi per cui abbiamo deciso di rendere immediatamente disponibile il genoma alla comunità scientifica", aggiunge Alessandro Cellerino. La sequenza del genoma e le relative risorse web fornite dal team consentono ai ricercatori di tutto il mondo di analizzare la versione dello squalo della Groenlandia dei loro geni di interesse. "Questo lavoro è una pietra miliare per una migliore comprensione delle basi della straordinaria fisiologia dello squalo della Groenlandia. Inoltre, ci aiuta a valutare la loro diversità genomica e quindi la dimensione della popolazione di questa specie vulnerabile per la prima volta", commenta John Fleng Steffensen dell'Università di Copenaghen, che studia questi enormi animali sul campo da quindici anni.
Il preprint che fornisce i primi approfondimenti sul genoma dello squalo della Groenlandia è disponibile su bioRxiv.
