Uno studio condotto da scienziati dell'Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) e dell'Università del Kent scopre come la struttura tridimensionale del genoma delle cellule germinali maschili determini l'evoluzione dei genomi nel tempo. Pubblicato in Comunicazioni sulla natura e condotto su specie di roditori, lo studio mostra che gli eventi distintivi che si verificano durante la produzione di ovuli e spermatozoi hanno un impatto diverso sull'evoluzione del genoma e apre nuove strade di ricerca sull'origine genetica della struttura del genoma in tutti gli organismi.

Il confronto dei genomi tra molte diverse specie di mammiferi mostra che mentre tutte le specie hanno un catalogo di geni sostanzialmente simile, questi sono disposti in un ordine diverso per ciascuna specie e possono essere disattivati ​​e attivati ​​in modo diverso. Questi riarrangiamenti possono influenzare la funzione e la regolazione dei geni e, quindi, svolgere un ruolo nei cambiamenti evolutivi e nella definizione dell'identità delle specie. Finora, l'origine ultima di questi riarrangiamenti è stata un mistero:dove (in quali tipi di cellule) e quando (durante lo sviluppo) si verificano? Nascono come sottoprodotto del normale rimescolamento dei geni tra le copie cromosomiche che si verifica durante la meiosi, il processo cellulare per produrre i gameti (ovociti e sperma), o in qualche altra fase del ciclo vitale?

Ora uno studio condotto da scienziati dell'Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) e dell'Università del Kent mostra che la produzione di sperma è la chiave per il modo in cui le regioni del genoma vengono riorganizzate all'interno e tra i cromosomi durante l'evoluzione. In particolare, i riarrangiamenti cromosomici ereditari sono associati a processi fisici e biochimici specifici delle fasi finali della produzione dello sperma, dopo che le divisioni cellulari meiotiche sono state completate.

La sequenza totale del DNA o del genoma di un individuo è ripiegata in una struttura cromatina 3D dinamica e specificatamente adattata all'interno dei nuclei cellulari, che determina quali geni sono "attivati" e quali "disattivati" in ciascun tipo di cellula. I gameti sono prodotti da tutti gli organismi che si riproducono sessualmente attraverso un processo chiamato meiosi, che prevede un ciclo di replicazione del genoma seguito da due divisioni cellulari consecutive, per lasciare le cellule aploidi (gameti) che trasportano solo una copia di ciascun cromosoma. Durante la meiosi, i geni vengono "mescolati" tra le copie cromosomiche ereditate dalla madre e dal padre, un processo noto come ricombinazione genetica. Questi eventi complessi implicano che il genoma deve essere impacchettato e decompresso in modo preciso e altamente regolato nella cromatina.

"Il nostro lavoro mostra che la dinamica del rimodellamento della cromatina durante la formazione dei gameti maschili è fondamentale per capire quali parti del genoma si trovano vicine l'una all'altra all'interno del nucleo, e sono quindi più probabili essere coinvolte nei riarrangiamenti cromosomici, in momenti diversi attraverso spermatogenesi maschile", afferma la dott.ssa Aurora Ruiz-Herrera, professore associato presso il Dipartimento di biologia cellulare, fisiologia e immunologia dell'Istituto di biotecnologia e biomedicina (IBB) presso l'UAB.

Analisi dei riarrangiamenti del genoma nei roditori

Per studiare l'evoluzione del genoma, il team ha confrontato i genomi di 13 diverse specie di roditori e ha "riordinato" i riarrangiamenti che li distinguevano. "Questo ci ha permesso di elaborare la configurazione del genoma dell'antenato comune roditore e determinare le posizioni delle regioni del punto di interruzione evolutivo (EBR) che partecipano ai riarrangiamenti del genoma", spiega la dott.ssa Marta Farré, docente di genomica presso la School of Biosciences dell'Università del Kent, e co-responsabile dello studio.

"Sorprendentemente, gli EBR erano associati a regioni che sono attive nelle fasi successive della spermatogenesi, quando le cellule germinali maschili in via di sviluppo sono chiamate spermatidi. È stato riscontrato che i riarrangiamenti che si verificano negli EBR rompono e ricongiungono tratti di DNA che si trovano fisicamente l'uno vicino all'altro nello spermatide nucleo", afferma il dott. Peter Ellis, docente di genetica molecolare e riproduzione presso la School of Biosciences dell'Università del Kent e co-leader dello studio.

Inoltre, gli EBR non erano associati agli hotspot di ricombinazione meiotica, indicando che questi riarrangiamenti molto probabilmente non si verificavano durante la meiosi né nei maschi né nelle femmine. Invece, gli EBR erano correlati con le posizioni dei danni al DNA negli spermatidi.

Gli spermatidi sono cellule che subiscono la fase finale dello sviluppo dello sperma, dopo che la divisione cellulare è terminata e gli eventi che si verificano durante questo processo sono maschili. Ciò comporta quindi l'implicazione sorprendente che maschi e femmine non sono uguali in termini di impatto sull'evoluzione del genoma. "Di tutti i riarrangiamenti che distinguono un topo da un topo, uno scoiattolo o un coniglio, la maggior parte sembra sia nata in uno spermatozoo piuttosto che in un uovo. Per me, questo dimostra che la linea germinale maschile è il motore generale di evoluzione strutturale del genoma", afferma il dott. Ellis.

"Mostriamo che gli spermatozoi in via di sviluppo conservano una 'memoria' delle precedenti configurazioni del genoma. Ci sono tratti di DNA che facevano parte di un singolo cromosoma nell'antenato comune dei roditori, ma ora si trovano su cromosomi diversi nel topo, eppure questi si muovono ancora vicino l'un l'altro e stabiliscono un contatto fisico specifico nello sviluppo degli spermatozoi", afferma la dott.ssa Marta Farré.

Perché nelle cellule germinali maschili?

Gli autori propongono una spiegazione per i loro risultati sono i diversi eventi che si verificano durante la produzione di ovuli e spermatozoi. Mentre sia lo sperma che gli ovuli rimescolano il DNA durante la meiosi, le rotture del DNA create durante questo processo vengono riparate in modo molto accurato. Tuttavia, gli spermatozoi devono anche compattare il loro DNA in un piccolo volume per adattarsi alla testa dello sperma. Questa compattazione provoca rotture del DNA e utilizza un metodo soggetto a errori per riparare il DNA. Alcuni di questi errori possono generare riarrangiamenti genomici, spiegando perché lo sviluppo dello sperma è un fattore critico nell'evoluzione del genoma.

On the other side, a current unsolved mystery is why some species have very stable genomes with few rearrangements, while others have highly dynamic genomes with multiple rearrangements. "Our work suggests that this may be due to the details of where and when DNA is broken and repaired during sperm production," says Dr. Ruiz-Herrera.

While the study was carried out in rodents, spermatogenesis is a highly conserved process, and therefore this principle is likely to apply widely throughout the tree of life, researchers point out.

Participating in this study led by the UAB and University of Kent were also the research teams from Josep Carreras Leukaemia Research Institute (IJC) and Sequentia Biotech.