Nonostante abbiano avuto un antenato comune più di un miliardo di anni fa, gli animali e i funghi sono simili sotto molti aspetti. Entrambi appartengono a un gruppo più ampio chiamato “eucarioti”, organismi le cui cellule immagazzinano il loro materiale genetico all’interno di un compartimento chiuso chiamato “nucleo”. I due differiscono, tuttavia, nel modo in cui svolgono molti processi fisiologici, incluso il tipo più comune di divisione cellulare: la mitosi.

La maggior parte delle cellule animali subiscono la mitosi “aperta”, in cui l’involucro nucleare – la membrana a due strati che separa il nucleo dal resto della cellula – si rompe quando inizia la divisione cellulare. Tuttavia, la maggior parte dei funghi utilizza una forma diversa di divisione cellulare – chiamata mitosi “chiusa” – in cui l’involucro nucleare rimane intatto durante tutto il processo di divisione. Tuttavia, si sa molto poco sul perché o sul come si siano evolute queste due distinte modalità di divisione cellulare e su quali fattori determinino quale modalità sarà prevalentemente seguita da una particolare specie.

Questa domanda ha catturato l’attenzione degli scienziati del Dey Group dell’EMBL Heidelberg, che studiano le origini evolutive del nucleo e della divisione cellulare. “Studiando la diversità tra gli organismi e ricostruendo come le cose si sono evolute, possiamo iniziare a chiederci se esistono regole universali che sono alla base del funzionamento di tali processi biologici fondamentali”, ha affermato Gautam Dey, leader del gruppo presso l’EMBL Heidelberg.

Nel 2020, durante il blocco del COVID-19, dalle discussioni tra il gruppo di Dey e il team di Omaya Dudin presso il Politecnico federale di Losanna (EPFL) è nato un percorso inaspettato per rispondere a questa domanda. Dudin è un esperto di un insolito gruppo di protisti marini: gli Ichthyosporea. Le Ichthyosporea sono strettamente imparentate sia con i funghi che con gli animali, con diverse specie che si trovano più vicine all’uno o all’altro gruppo sull’albero genealogico evolutivo.

Approccio innovativo

I gruppi Dey e Dudin, in collaborazione con il gruppo di Yannick Schwab all’EMBL Heidelberg, hanno deciso di sondare le origini della mitosi aperta e chiusa utilizzando l’Ichthyosporea come modello. È interessante notare che i ricercatori hanno scoperto che alcune specie di Ichthyosporea subiscono una mitosi chiusa mentre altre subiscono una mitosi aperta. Pertanto, confrontando e contrapponendo la loro biologia, potrebbero ottenere informazioni su come gli organismi si adattano e utilizzano queste due modalità di divisione cellulare.

Hiral Shah, un membro dell’EIPOD che lavora nei tre gruppi, ha guidato lo studio. “Dopo aver riconosciuto molto presto che l’Ichthyosporea, con i suoi numerosi nuclei e la posizione evolutiva chiave tra animale e fungo, era adatta per affrontare questa questione, era chiaro che ciò avrebbe richiesto l’unione delle competenze biologiche e tecniche cellulari dei Dey, Dudin e i gruppi Schwab, e questo è esattamente ciò che la borsa di studio EIPOD mi ha permesso di fare”, ha affermato Shah.

Dopo aver analizzato da vicino i meccanismi di divisione cellulare in due specie di Ittiosporei, i ricercatori hanno scoperto che una specie, S. artica, favorisce la mitosi chiusa, simile ai funghi. S. artica ha anche un ciclo vitale con uno stadio multinucleato, in cui esistono molti nuclei all’interno della stessa cellula – un’altra caratteristica condivisa con molte specie fungine e con gli stadi embrionali di alcuni animali, come i moscerini della frutta. Un’altra specie, C. perkinsii, si è rivelato molto più animalesco, basandosi sulla mitosi aperta. Il suo ciclo vitale prevede principalmente stadi mononucleati, in cui ogni cellula ha un singolo nucleo.

Implicazioni evolutive

“I nostri risultati hanno portato alla conclusione fondamentale che il modo in cui le cellule animali compiono la mitosi si è evoluto centinaia di milioni di anni prima degli animali. Il lavoro ha quindi implicazioni dirette per la nostra comprensione generale di come i meccanismi di divisione cellulare eucariotica si evolvono e si diversificano nel contesto di forme di vita diversificate”. “questo chiarisce i cicli e fornisce un pezzo chiave del puzzle delle origini degli animali”, ha affermato Dey.

Lo studio ha combinato competenze in filogenetica comparativa, microscopia elettronica (del Gruppo Schwab e della struttura centrale di microscopia elettronica (EMCF) presso l’EMBL Heidelberg) e microscopia ad espansione ultrastrutturale, una tecnica che prevede l’inclusione di campioni biologici in un gel trasparente e la sua espansione fisica. Inoltre, Eelco Tromer, dell’Università di Groningen nei Paesi Bassi, e Iva Tolic, del Ruđer Bošković Institute di Zagabria, in Croazia, hanno fornito competenze rispettivamente in genomica comparativa e geometria e biofisica del fuso mitotico.

“La prima volta che abbiamo visto un nucleo espanso di S. artica, sapevamo che questa tecnica avrebbe cambiato il modo in cui studiamo la biologia cellulare di organismi non modello”, ha detto Shah, che ha riportato la tecnica della microscopia ad espansione all’EMBL Heidelberg dopo un periodo presso il laboratorio di Dudin. Dey è d’accordo: “Una svolta fondamentale in questo studio è arrivato con la nostra applicazione della microscopia ad espansione ultrastrutturale (U-ExM) all’analisi del citoscheletro ittiosporico. Senza U-ExM, l’immunofluorescenza e la maggior parte dei protocolli di etichettatura con coloranti non funzionano in questo gruppo poco studiato di olozoi marini”.

Conclusioni

Questo studio dimostra anche l’importanza di andare oltre la ricerca tradizionale sugli organismi modello quando si cerca di rispondere ad ampie domande biologiche e le potenziali intuizioni che ulteriori ricerche sui sistemi ittiosporei potrebbero rivelare. “Lo sviluppo degli ittiospori mostra una notevole diversità”, ha affermato Dudin. “Da un lato, diverse specie mostrano modelli di sviluppo simili a quelli dei primi embrioni di insetti, caratterizzati da stadi multinucleati e cellularizzazione sincronizzata. D’altro canto, C. perkinsii subisce la scissione, la rottura della simmetria e forma colonie multicellulari con tipi cellulari distinti, simili alla “visione canonica” dei primi embrioni animali. Questa diversità non solo aiuta a comprendere il percorso verso gli animali, ma offre anche un’affascinante opportunità per l’embriologia comparativa al di fuori degli animali, il che è, di per sé, molto entusiasmante”.

L’interdisciplinarietà intrinseca del progetto è servita non solo come buon banco di prova per questo tipo di ricerca collaborativa, ma anche per la formazione post-dottorato unica offerta all’EMBL. “Il progetto di Hiral illustra bene le virtù del programma EIPOD: un progetto veramente interdisciplinare, che unisce la biologia innovativa con metodi avanzati, contribuendo tutti a uno sviluppo personale davvero spettacolare”, ha affermato Schwab. “Noi (come mentori) abbiamo assistito alla nascita di uno scienziato forte, e questo è davvero gratificante!”

I gruppi Dey, Dudin e Schwab stanno attualmente collaborando anche al progetto PlanExM, parte della spedizione TREC, un’iniziativa guidata dall’EMBL per esplorare e campionare la biodiversità lungo le coste europee. PlanExM mira ad applicare la microscopia ad espansione per studiare la diversità ultrastrutturale dei protisti marini direttamente in campioni ambientali. “Il progetto è nato dalla consapevolezza che U-ExM rappresenterà un punto di svolta per la protistologia e la microbiologia marina”, ha affermato Dey. Con questo progetto, così come altri attualmente in corso, il gruppo di ricerca spera di fare ulteriore luce sulla diversità della vita sulla Terra e sull’evoluzione dei processi biologici fondamentali.

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