Ricostruita l’evoluzione delle cellule del sangue: milioni di anni fa erano macrofagi primordiali

Un recente studio pubblicato sulla rivista PNAS da un team di ricerca internazionale guidato da Yosuke Nagahata ha ricostruito l’albero evolutivo completo delle cellule del sangue animale, dalla loro comparsa fino alla diversificazione nelle specie moderne. La ricerca suggerisce che il programma genetico delle cellule immunitarie e delle cellule ematiche non è nato da zero con la comparsa degli organismi complessi, ma deriva dal riutilizzo e dalla specializzazione di un toolkit genetico già presente negli organismi unicellulari (gli olozoi), vissuti centinaia di milioni di anni fa.

La trascrittomica: analizzare l’espressione genica per ricostruire il passato

Per capire da dove derivano le cellule del nostro sangue, i ricercatori hanno effettuato un’analisi trascrittomica comparativa. Questa tecnica non analizza il DNA (genoma), che è statico e identico in tutte le cellule di un organismo, ma studia il trascrittoma, ovvero l’insieme delle molecole di RNA messaggero attivamente trascritte. In pratica, ciò che viene effettivamente "copiato" dal DNA per essere utilizzato.

In biologia evolutiva, studiare il trascrittoma è fondamentale perché l’identità e la funzione di una cellula dipendono da quali geni vengono effettivamente espressi. Confrontando i profili di espressione genica e l’attività dei fattori di trascrizione (proteine che regolano l’attivazione dei geni) tra specie diverse è possibile stabilire l’omologia evolutiva, ovvero la somiglianza, tra linee cellulari apparentemente distanti. Questo permette di tracciare un albero filogenetico delle cellule, simile al nostro albero genealogico, scoprendo come e quando si sono separate nel corso del tempo.

Per mappare questo percorso evolutivo, lo studio ha analizzato i dati trascrittomici di una vasta selezione di organismi (vertebrati, invertebrati, organismi marini semplici e olozoi) e confrontato le firme molecolari di diverse linee cellulari, tra cui i macrofagi (cellule fagocitiche), mastociti e cellule killer (responsabili delle risposte immunitarie innate), i linfociti T e B (cellule dell’immunità), gli eritrociti e trombociti (specializzati nel trasporto di ossigeno e nella coagulazione).

L’origine delle cellule del sangue: i macrofagi ancestrali e il fattore Fos

La storia evolutiva delle cellule del sangue inizia all’origine dei metazoi, i primi animali. Lo studio dimostra che le prime cellule del sangue in assoluto erano fagociti simili a macrofagi, cellule del nostro sistema immunitario che si occupano di inglobare e neutralizzare eventuali pericoli per il nostro organismo, derivati direttamente dalle caratteristiche biologiche degli antenati unicellulari. Il loro compito era quello di pattugliare i tessuti e difendere l’organismo da batteri e virus.

A livello molecolare, tutto questo è controllato da fattori di trascrizione, tra cui spicca il gene Fos come uno dei principali. Per confermare questa connessione, i ricercatori hanno fatto sovraesprimere il gene Fos nell’organismo unicellulare Capsaspora owczarzaki: hanno cioè forzato la cellula a leggere questa "ricetta" genetica a ciclo continuo, producendo un'enorme quantità della proteina Fos. Questo ha inibito l’aggregazione delle cellule mantenendole in uno stato ameboide e isolato, simulando il comportamento migratorio dei macrofagi animali. In parole povere, un'alta concentrazione di questa proteina ha spinto i vari individui di Capsaspora a "vagare" singolarmente, invece di attaccarsi tra loro come farebbero normalmente, supportando quindi l’ipotesi del coinvolgimento di questo fattore di trascrizione.

La prima divisione: la difesa dai parassiti

Con la comparsa degli animali a simmetria bilaterale, il corpo degli organismi è diventato più complesso, organizzandosi lungo un asse speculare con una metà a sinistra e una a destra, come la maggior parte degli animali moderni. Questa nuova complessità ha posto una nuova pressione selettiva per il sistema immunitario: la minaccia dei parassiti multicellulari. Contro di loro, la semplice fagocitosi operata dai macrofagi non era sufficiente.

Si è verificata così la separazione tra la linea macrofagica e una nuova linea specializzata di mastociti ancestrali. Questi hanno acquisito la capacità di sintetizzare proteasi (enzimi che degradano le proteine) contenuti in granuli per colpire i parassiti. Le tracce di questa prima divisione sono ancora visibili negli invertebrati moderni: le cellule a cristallo della mosca Drosophila o le cellule morula delle ascidie marine condividono la stessa firma genetica e la stessa funzione dei mastociti che proteggono i mammiferi.

Un'altra sorpresa riguarda i globuli rossi (eritrociti) e le piastrine che, nei vertebrati, sembrano essere nati più tardi, gemmando direttamente dai mastociti ancestrali. I ricercatori hanno scoperto che la linea evolutiva del nostro sangue non si è divisa fin dall'inizio tra "cellule per respirare" e "cellule per difendersi". Questo significa che il sistema di trasporto dell'ossigeno nel sangue è un'evoluzione successiva, nata modificando e specializzando strutture che all'inizio servivano esclusivamente alla risposta immunitaria.

Cosa resta da scoprire?

Come ogni grande passo avanti della scienza, anche questo modello ha i suoi limiti e rappresenta solo l'inizio di una nuova linea di ricerca. Gli stessi autori dello studio fanno notare che le reti genetiche ipotizzate per organismi come i ricci di mare o i tunicati dovranno essere confermate in futuro da convalide sperimentali dirette in laboratorio.

Inoltre, è probabile che esistano altri fattori genetici chiave nell'evoluzione del sangue che questa ricerca non ha ancora identificato. Resta infine da chiarire con precisione come e quando sia comparsa l'immunità acquisita, cioè quella difesa ultra-specializzata che ci permette di produrre anticorpi specifici. La strada per ricostruire l'intera storia del nostro sangue è ancora lunga, ma questo studio ha finalmente posizionato le prime, fondamentali tessere del puzzle.

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