SCIENZA E RICERCA
I colori delle farfalle dipendono da molecole di RNA
L'RNA, acido ribonucleico, è un composto chimico fondamentale per la vita. Tra le sue molteplici funzioni, è noto per il suo ruolo nella sintesi proteica (la formazione delle proteine a partire dall'informazione genica) e nella regolazione dell'espressione genica. Di RNA esistono moltissime forme, caratterizzate da gradi diversi di complessità. Inoltre, nei genomi degli organismi viventi esistono larghi tratti di informazione genica non codificante (che non conduce, cioè, alla sintesi proteica e all'espressione genica), a lungo ritenuti ininfluenti nei processi evolutivi e per questo soprannominati "junk DNA", cioè DNA spazzatura. Sotto questo ampio cappello vanno anche diverse classi di RNA, tra cui i long non-coding RNA (lncRNA), lunghe sequenze (più di 200 nucleotidi) non codificanti, che sono una delle forme di RNA ad oggi meno studiate e di cui solo ora si sta iniziando a comprendere la potenziale funzione evolutiva.
Oggi, l'idea che portò, negli anni 1960, a coniare il termine "DNA spazzatura" è superata: con progetti di ricerca come il sequenziamento del genoma umano, è divenuto chiaro che quelle larghe regioni non codificanti del genoma non sono inutili residui dell'evoluzione, ma hanno precise (per quanto ancora non del tutto note) funzioni biochimiche e regolatorie.
Questa visione trova conferma in alcuni studi, pubblicati sotto forma di pre-print sulla piattaforma BioRxiv, che evidenziano il ruolo centrale di un lncRNA mai identificato prima, soprannominato dagli autori ivory, nel determinare la pigmentazione delle ali delle farfalle. Come riporta la giornalista scientifica Liz Pennisi su Science, precedenti studi avevano messo in luce il ruolo centrale del gene codificante cortex come principale responsabile della variazione cromatica delle ali delle farfalle. Ma tre diversi gruppi di lavoro sono giunti alla medesima conclusione che l'elemento dirimente nella regolazione di questo carattere sia un altro gene, prima ignorato perché sovrapposto proprio a cortex. Questo gene, tuttavia, non codifica proteine, ma RNA (del tipo lncRNA), e i ricercatori sono stati in grado di dimostrare che proprio da questo RNA dipendono diverse variazioni di colore nelle ali delle farfalle. Come evidenzia la giornalista, «questa è la prima volta che un long non-coding RNA è stato messo in correlazione con l'evoluzione di un tratto visibile nel mondo animale».
A nice summary on the history of the cortex locus, and the recent preprints detailing the dicovery of ivory.https://t.co/vj1y1tQkb0
— MilesLuca (@LivraghiLuca) February 29, 2024
Uno dei tre articoli scientifici, firmato da un gruppo internazionale guidato dal biologo evoluzionista dello sviluppo Luca Livraghi, «svela – scrivono gli autori – il ruolo cruciale di un lncRNA nell'orchestrare la transizione cromatica da pattern scuri a chiari nel corso dello sviluppo dell'ala della farfalla». Non è un caso che questo lncRNA sia inserito nella regione genetica di cortex, il gene il cui ruolo era già stato riconosciuto come centrale in questo processo: la sua funzione mostra come questo tipo di RNA sia coinvolto non solo nella regolazione dello sviluppo, ma anche nel processo evolutivo, in ragione delle conseguenze adattative che le variazioni nella colorazione hanno su farfalle e falene.
I ricercatori hanno osservato come, in una popolazione allevata della specie Heliconius melpomene, naturalmente nera ma molto chiara nella forma mutata, presentava una delezione naturale nella regione ivory. Per comprendere quale fosse il gene responsabile del cambiamento di colorazione, gli studiosi hanno provato a disattivare il gene cortex con la tecnologia CRISPR/Cas9: questo, però, non ha generato evidenti modificazioni nel fenotipo delle farfalle. Al contrario, a uno sguardo più dettagliato è emerso come in corrispondenza della delezione ivory fossero presenti dei lncRNA.
Un altro gruppo di ricercatori, guidato da Richard Fandino, lavorando in tandem con il gruppo di ricerca di Livraghi ha dimostrato che un lncRNA codificante sovrapposto alla delezione ivory è presente in diverse specie e agisce come «un potente modulatore delle identità della scala di melanismo».
Per dimostrare il ruolo di questo RNA nel modificare il pattern di colorazione delle ali delle farfalle, Livraghi e colleghi hanno utilizzato ancora CRISPR/Cas9, concentrandosi questa volta su parti della regione ivory da silenziare. Il silenziamento ha dato esito positivo (cioè, ha generato fenotipi molto chiari) in diverse specie di farfalle. Una serie di altri indizi hanno confermato l'alta probabilità «che ivory sia il locus genetico che causa la variazione nei pattern delle farfalle della famiglia Nymphalidae, e non cortex, come si pensava».
Questa scoperta è interessante anche in ragione della regione genetica in cui i geni coinvolti sono stati identificati: la regione cortex/ivory, infatti, è nota per essere responsabile di esempi famosi di variazione adattativa, come il famoso caso del melanismo industriale della falena Biston betularia, casi di mimetismo mülleriano e batesiano in diverse specie di farfalla, il polifenismo stagionale nel genere Junonia e il mimetismo criptico della farfalla foglia morta.
Un'ulteriore verifica indipendente è arrivata da un gruppo di ricercatori dell'università di Singapore: in un altro pre-print, la squadra di ricerca di Shen Tian e Antónia Monteiro ha individuato un micro-RNA (mir-193) come responsabile dello sviluppo di ali nere in diverse specie di lepidotteri. Secondo gli studiosi, questo micro-RNA deriva probabilmente dalla segmentazione di un "gigantesco" lncRNA, confermando dunque il ruolo evolutivo di questo elemento: mir-193 è infatti altamente conservato, ed è stato ritrovato in famiglie (Nymphalidae e Pieridae) la cui separazione risale a 90 milioni di anni fa. Un simile livello di conservazione nel corso della storia evolutiva suggerisce, secondo gli autori di questo terzo studio, che forme di RNA con funzione regolatoria e con un chiaro impatto evolutivo potrebbero agire anche in altri animali, e non solo negli insetti.