Le radici della biodiversità: Come le proteine differiscono tra le specie

Per capire meglio cosa guida la diversità biologica sulla Terra, gli scienziati hanno storicamente guardato alle differenze genetiche tra le specie. Ma questo fornisce solo una parte del quadro. I tratti di una particolare specie non sono solo il risultato dei suoi geni, ma anche delle proteine che quei geni codificano. Comprendere le differenze tra i proteomi delle specie – ovvero l’insieme delle proteine che possono essere espresse – è quindi importante quanto comprendere le differenze tra i genomi.

In un nuovo studio, i ricercatori di Yale hanno confrontato i proteomi delle cellule della pelle di 11 mammiferi, aiutando così gli scienziati a comprendere i fattori molecolari della biodiversità e come questi si siano evoluti nel tempo.

Hanno scoperto che, mentre molte proteine sono simili tra le specie e all’interno delle stesse, alcune sono più variabili tra le specie, fornendo indizi su quali proteine potrebbero essere più importanti nell’evoluzione dei mammiferi. Il lavoro potrebbe anche aiutare i ricercatori a capire perché alcune specie sono più resistenti al cancro.

I risultati sono stati pubblicati il 9 settembre su Science Advances.

“Per comprendere la diversità biologica, oltre a sapere come il DNA sia diverso nelle varie specie, si vuole anche sapere come le specie si comportano, si sviluppano e hanno un aspetto diverso”, ha detto Günter Wagner, professore emerito di ecologia e biologia evolutiva Alison Richard.

E questi attributi – l’aspetto, il comportamento e lo sviluppo di una specie – si ritiene siano più strettamente legati ai livelli di proteine che al DNA, ha spiegato Yansheng Liu, professore assistente di farmacologia alla Yale School of Medicine.

Confrontare le quantità di proteine tra le specie è stato però difficile, perché non esisteva la tecnologia per fare analisi su larga scala. Liu ha però applicato un metodo chiamato spettrometria di massa ad acquisizione indipendente dai dati che ora consente ai ricercatori di svolgere questo tipo di lavoro.

“È una svolta concettuale e tecnica che ci permette di lavorare a un livello più alto e funzionalmente rilevante”, ha detto Wagner.

Liu è membro dell’Istituto di biologia del cancro di Yale e Wagner dell’Istituto di biologia dei sistemi, entrambi situati presso il Campus Ovest di Yale. È stato lì, durante un simposio sulla biologia dei sistemi tumorali a cui entrambi hanno partecipato, che è iniziata la loro collaborazione.

Per lo studio, i ricercatori hanno quantificato tutte le proteine espresse nelle cellule della pelle di 11 specie di mammiferi: conigli, ratti, scimmie, uomini, pecore, mucche, maiali, cani, gatti, cavalli e opossum.

L’analisi ha fornito informazioni che non potevano essere ottenute con altre tecniche. Per esempio, mentre le ricerche precedenti hanno esaminato le differenze nell’mRNA – il materiale genetico usato per creare le proteine – i ricercatori hanno scoperto che la misurazione delle proteine forniva informazioni aggiuntive che non potevano essere colte analizzando solo l’mRNA, in quanto l’mRNA è solo una misura indiretta dell’abbondanza delle proteine.

Un filamento di mRNA contiene il codice per la creazione di una proteina. E mentre le singole proteine possono avere una funzione particolare, le proteine possono anche interagire tra loro e agire come gruppi, ha spiegato Liu. Il solo esame dell’mRNA non fornisce queste informazioni.

“Abbiamo scoperto che, soprattutto per alcune classi di proteine, il rapporto tra proteine e mRNA è molto basso”, ha detto Liu. “Ciò significa che il profilo dell’mRNA da solo sarebbe fuorviante”.

Il team ha quindi esaminato la variazione delle proteine sia tra le specie che tra gli individui della stessa specie, scoprendo che, per la maggior parte delle proteine, i livelli più variabili tra gli individui erano anche più variabili tra le specie. Ma ci sono alcune proteine che non corrispondono a questa tendenza. Per esempio, le proteine legate alla divisione cellulare e al metabolismo dell’RNA erano più variabili tra le specie che tra gli individui di una stessa specie (l’uomo, in questo caso). Ciò suggerisce che queste funzioni svolgono un ruolo particolarmente importante nell’evoluzione dei mammiferi, hanno detto i ricercatori.

“Le differenze tra specie e individui sono molto interessanti dal punto di vista evolutivo”, ha detto Wagner. “Il confronto tra le due ci dà un’idea di quanta variazione sia tollerata all’interno di una specie e possiamo usare questa informazione per prevedere la capacità di evoluzione”.

Infine, i ricercatori hanno confrontato i sistemi di rimozione delle proteine nelle varie specie. Esistono due sistemi principali responsabili della rimozione delle proteine nelle cellule e hanno scoperto che uno è simile tra le specie, mentre l’altro presenta una notevole variazione tra i diversi mammiferi.

Il turnover delle proteine determina la velocità con cui una cellula può cambiare il proprio stato, ha aggiunto Wagner. “Se arriva un nuovo segnale, la cellula deve buttare via le proteine che erano necessarie per il suo stato precedente e crearne di nuove”, ha detto Wagner.

La velocità con cui una cellula cambia stato potrebbe essere rilevante per il cancro.

“Le cellule sane possono essere influenzate dalle cellule cancerose vicine”, ha detto Wagner. “Sarà importante capire se il tasso di turnover delle proteine è legato alla reattività delle cellule alle influenze delle cellule tumorali. Forse le specie più resistenti al cancro, come gli animali ungulati come le mucche e i maiali, hanno cellule meno capaci di cambiare stato e meno suscettibili ai segnali delle cellule tumorali”.

La comprensione della vulnerabilità al cancro è solo una delle potenziali applicazioni di questo lavoro. Per esempio, possono iniziare a correlare le differenze tra le proteine con altri tratti che differiscono tra le specie, dice Liu.

Le proteine sono soggette a modifiche chimiche, che si verificano quando altre molecole si attaccano a una proteina e la attivano o la disattivano. Queste modifiche contribuiscono ai tratti che differiscono tra le specie e all’interno delle stesse, poiché svolgono un ruolo importante nell’influenzare la funzione delle proteine. In questo studio i ricercatori hanno valutato un tipo di modifica, la fosforilazione, scoprendo che le variazioni nei livelli di fosforilazione non erano, per la maggior parte, correlate a variazioni nell’abbondanza delle proteine, fornendo un altro livello di comprensione su ciò che guida la biodiversità. I ricercatori continueranno a valutare altre modifiche nel lavoro futuro.

“Fornirà un quadro più completo”, ha detto Liu, aggiungendo che le variabilità biologiche tra specie e individui sono ciò che forma la diversità biologica sulla Terra. “Misurare le differenze nelle proteine e nelle proteine modificate tra le specie farà progredire la nostra comprensione della biodiversità a livello molecolare”.