Gli ERV sono una prova dell’evoluzione?

retrovirus umani endogeni ed esogeni

retrovirus umani endogeni ed esogeni

Cosa sono gli ERV?
 
Nel nostro DNA ed in quello di altre specie viventi ci sono sequenze che hanno delle similitudini con quelle prodotte dalle invasioni virali.
 
La presenza di queste similitudini e la contemporanea assenza di virus ad esse connesse rappresenta, secondo la scienza evoluzionistica, una delle principali indicazioni di modificazioni “vestigiali” del DNA occorse in passato, “reliquie” che testimoniano antiche  invasioni virali dell’organismo in questione.
 
Si ipotizza infatti che il tal virus abbia invaso nel passato un certo organismo, lasciando il suo “marchio di fabbrica” nel DNA; attraverso la riproduzione, questo “marchio” è stato poi replicato e trasmesso alla progenie dell’organismo sotto forma di sequenza “vestigiale”, priva di una qualunque “funzione” legata alla sua provenienza ed inerte da un punto di vista molecolare, ma rivelatrice del passaggio di quel virus e soprattutto del “legame” di discendenza evolutiva tra gli organismi aventi questo “marchio”.
 
La sigla ERV sta quindi per “Endogenous Retro Virus”, cioè “retrovirus” – ovvero un tipo di virus che sfrutta il meccanismo molecolare di retro-trascrizione delle proprie informazioni genetiche per replicarsi – “endogeno” – ovvero avulso al virus, ma presente all’interno dell’organismo “target”: ogni nuova cellula replicata conterrà quella sequenza, nel passato correlata ad un organismo “esterno” ma ri-creata e replicata internamente alla cellula dai meccanismi di copiatura del DNA che operano in occasione della riproduzione cellulare.
 
E’ proprio così?
 
Queste sequenze sono veramente legate a virus che nel passato hanno invaso l’organismo ospite?
 
Di conseguenza, è corretto ritenere che la presenza di queste sequenze possa essere considerata una prova di relazione evolutiva tra organismi di specie diverse?
 
L’argomento ERV è molto complesso e legato ad un meccanismo se possibile ancora più complesso chiamato “trasposizione”: cercheremo quindi di semplificare i vari aspetti, mantenendo quanto più possibile l’obbiettivo di una chiarezza descrittiva, anche attraverso la reiterazione di alcuni concetti base.
 
Il nostro DNA è composto da una minoranza di sequenze, dette “geni”, che codificano i “pezzi” dei meccanismi di funzionamento della cellula, ovvero le proteine: il famoso “genoma”, infatti, comprende solo circa l’1,8% del DNA se non si contano gli introni, ovvero “spazi” che separano le sequenze codificanti le proteine.
 
Il resto del DNA, quindi circa il 98,2%, “relegato” in altre specifiche zone e “interspaziato” dalle “brevi” sequenze codificanti le proteine, è composto da sequenze non codificanti, suddivise in varie parti e classi, il cui vero scopo non è ancora sempre pienamente compreso.
 
Tra queste, esistono due classi, i trasposoni (circa il 3%) e i retro-trasposoni (circa l’8%), chiamati anche trasposoni “LTR” (“Long Terminal Repeats”; da notare che ci sono anche gli LTR NON retrotransposoni, come i “LINE” e i “SINE”).
 
Va detto subito che è possibile, in effetti, che alcuni di questi LTR rappresentino, in certi rari casi, sequenze di DNA retro-trascritte da virus: certi virus, infatti, funzionano proprio con un simile sistema di trascrizione inversa nel genoma invaso e sfruttano i meccanismi di creazione delle proteine “endogene” (dell’organismo) per produrre e replicare meccanismi “esogeni”, ovvero appartenenti ai virus, che provengono ovviamente dall’esterno dell’organismo.
 
Questo complicato processo coinvolge i virus nel senso che le sue macchine molecolari “cooperano” con quelle funzionanti nelle nostre cellule allo scopo di inserire, in specifici tratti del DNA invaso, le “loro” sequenze, con l’obbiettivo finale di farle replicare dalle proteine cellulari: per citare l’esempio dell’HIV, il retrovirus più famoso, esso opera attraverso 3 proteine che introduce nella cellula invasa, le quali si occupano di favorire l’inserimento e la replicazione del materiale genetico del virus; il proteoma cellulare, i meccanismi che operano normalmente nella cellula, ri-crea i “pezzi” utili all’HIV “pensando” di produrre i propri.
 
Semplificando con un’illustrazione: una linea produttiva di una fabbrica di auto (proteoma invaso) ospita operai disonesti (virus), che sfruttano la catena di montaggio a proprio uso e consumo sostituendo addirittura gli “stampi” per produrre ingranaggi per le proprie auto. A lungo andare se non si adottano misure disciplinari gli operai disonesti inficerebbero la linea produttiva così gravemente da far fallire l’intera azienda.
 
Tra queste 3 proteine virali c’è l’integrasi, che “integra” la sequenza retro-trascritta dall’RNA del virus nel DNA della cellula ospite: questo verrà poi trascritto, producendo le “macchine molecolari” che gli servono (il pezzo dell’automobile dell’operaio).
 
 
C’è da tener presente che non è l’invasore, ovvero il virus, che “decide” dove la sequenza andrà a finire ma i meccanismi proteomici della cellula invasa che si occupano di questo processo, i quali utilizzano le sequenze “IS” (insertion sequence) come target per le sequenze trasposte.
 
Interessante è approfondire cosa guida questi meccanismi proteomici a “traspondere” queste sequenze, utilizzando gli IS come target: i dettagli non si conoscono ancora con certezza, ma fa parte di quei misteri impliciti nell’autoregolazione del funzionamento cellulare che sono oggetto della ricerca più aggiornata.
 
Come già accennato nell’introduzione, queste sequenze non codificanti vengono poi trasmesse dalle cellule alle generazioni successive: sono sequenze “conservate”, si dice in termini evolutivi.
 
Ma perché vengono “conservate”? Forse perché vengono ereditate in maniera “inerte”, attraverso una sorta di “copia ed incolla” senza scopo o perché servono a qualcosa?
 
Un modo per sapere se queste sequenze sono davvero “vestigiali” potebbe essere quello di stabilire se hanno una funzione, ovvero se vengono trascritte e a cosa servono: la cellula è un sistema vivente talmente efficiente che, se può evitare di fare qualcosa risparmiando energia, evita subito di farlo e tutto ciò che non è indispensabile per la sopravvivenza in un dato ambiente viene eliminato.
 
Questa auto-regolazione ed auto-ottimizzazione avviene per mezzo di diversi e complicati sistemi di gestione dell’informazione biologica che sfruttano processi elettro-chimico-meccanico-informatici, che non sono ovviamente oggetto di questa breve trattazione.
 
Riassumendo, se queste sequenze di DNA di tipo LTR chiamate ERV, attribuite a vestigia di virus, si dimostrassero legate a funzioni dell’organismo e delle sue cellule, si potrebbe concludere che non possono essere vestigia di virus.
 
Perché?
 
Perché una sequenza ereditata da un virus serve, come spiegato, a produrre macchine molecolari utili solo al virus e non ai processi della cellula e dell’organismo ospite.
 
Sostenere invece che sequenze utili ad un virus ancestrale possano essersi trasformate in corrispondenti sequenze utili e vantaggiose per l’organismo, attraverso una loro “evoluzione”, è un azzardo sia in termini probabilistici che logici.
 
Si adotterebbe un’argomentazione fallace, di fatto affermando la conseguenza, ovvero:
 
I. Se le sequenze ERV si sono evolute da vestigia di virus, allora possiederanno funzioni cellulari.
 
II. Le sequenze ERV possiedono funzioni cellulari.
 
III. Quindi le sequenze si sono evolute da vestigia di virus.
 
Ma il fatto che le sequenze ERV possiedano funzioni cellulari non è spiegato esclusivamente dalla possibilità, perlatro incalcolabilmente remota, che queste siano state selezionate, migliorate e conservate dai processi evolutivi.
 
Per quanto ne sappiamo, infatti, non esiste al momento nessun modello, ad un ragionevole livello di dettaglio, in grado di dimostrare la plausibilità di queste transizioni.
 
Inoltre, le differenze in termini sequenziali tra una proteina come l’integrasi e una qualunque delle decine di migliaia di proteine utili in una cellula sono abissali e le eventuali forme intermedie incontrerebbero l’insormontabile ostacolo degli stadi” maladattativi”, inevitabili per cambiamenti così grandi: la selezione naturale, così efficiente nel “purificare” sequenze e corrispondenti macchine molecolari inefficienti, le avrebbe piano piano, ma inesorabilmente scartate.
 
Questa specificità è richiesta solo nel caso dei geni che producono proteine?
 
Assolutamente no.
 
Come vedremo dopo, certe sequenze del DNA non servono direttamente alla codifica delle macchine molecolari della cellula, ma costituiscono una sorta di “segnale” di adesione per altre proteine già formate, con le quali si uniscono: questi complessi proteine – DNA permettono l’effettuarsi di diversi processi, tra i quali la trascrizione.
 
Questo “segnale” ha quindi una specificità di sequenza con costrizioni strutturali molto restrittive: l’ordine dei nucleotidi deve permettere un’adesione al sito di legame della proteina (o del gruppo di proteine) al punto di stabilità necessario per consentire al sistema di funzionare.
 
Riprendendo l’illustrazione di prima, lo “stampo” dell’operaio disonesto, utile per la produzione dei pezzi della sua auto, andrebbe modificato appositamente da una mente intelligente per essere utilizzabile nella linea produttiva dell’azienda, sia se operasse da stampo vero e proprio che da interfaccia meccanica per un altro strumento.
 
Quindi ci chiediamo: Gli ERV vestigiali, “scartati” dalla selezione naturale e relegati nella “periferia” del nostro DNA sono veramente uno scarto?
 
E di conseguenza, possono aiutarci a definire una linea evolutiva tra specie diverse?
 
 
“Endogenous retrovirus (ERV) elements have been shown to contribute promoter sequences that can initiate transcription of adjacent human genes.”
 
Come si può notare, questi elementi ‘contribuiscono come promotori’: cos’è un promotore?
 
Ne abbiamo già parlato prima: Semplificando estremante, un promotore è una sequenza specifica che permette all’RNA polimerasi (una meravigliosa macchina molecolare enormemente complessa formata da decine di proteine diverse che interagiscono tra loro) la “connessione” nell’ESATTO PUNTO del DNA IN CUI DEVE EFFETTUARE LA TRASCRIZIONE della sequenza che segue da quel punto in poi; tutto questo attraverso il legame con altre decine di proteine che favoriscono queste adesioni: grazie a questa SPECIFICA ed ESATTA sequenza viene prodotto, per esempio, l’RNA messaggero (o mRNA) alla fine di un lungo e complicato processo, il quale viene usato dai ribosomi, anch’essi complessi proteici formati da circa 80 polipeptidi, nella produzione delle proteine.
 
Come è possibile che questi “resti” di virus possano essere stati tramutati in “promotori” di trascrizione del polimerasi ed interagire in un processo così incredibilmente complesso, senza forme intermedie prive di questa funzione di “promozione” ed “incatenati” dalle costrizioni sequenziali di centinaia di altre proteine diverse a seconda del tipo di promotore?
 
Come avrebbero fatto ad operare i consueti processi evolutivi di mutazione e selezione per ottenere questo risultato, ricordandoci anche che la posizione di queste sequenze è spesso relegata in sezioni non sottoposte a selezione naturale, in quanto non codificanti nessuna proteina?
 
Sembrerebbe alquanto logico pensare che se sono promotori non sono resti virali. Questo spiegherebbe anche perché la loro “posizione” potrebbe essere stata “conservata” anche in animali di specie diverse: aveva uno scopo generico, non necessariamente legato ad una singola specie.
 
 
“We analyzed genome sequence and high-throughput expression data to systematically evaluate the presence of retroviral promoters in the human genome. RESULTS: We report the existence of 51,197 ERV-derived promoter sequences that initiate transcription within the human genome, including 1743 cases where transcription is initiated from ERV sequences that are located in gene proximal promoter or 5′ untranslated regions (UTRs).”
 
Cinquantunmilacentonovantasette sequenze ERV sono in realtà promotori in zone genomiche (quindi addirittura all’interno o nel mezzo del 2% codificante) e che millesettecentoquarantatre  casi sono promotori di sequenze non codificanti, ad indicare che quelle sequenze, SE VENGONO TRASCRITTE, è estremamente ragionevole pensare che abbiano uno specifico scopo, altrimenti l’ottimizzazione automatica ed il risparmio energetico insiti negli organismi biologici “eliminano” chi “resta indietro”..
 
“A total of 114 of the ERV-derived transcription start sites can be demonstrated to drive transcription of 97 human genes, producing chimeric transcripts that are initiated within ERV long terminal repeat (LTR) sequences and read-through into known gene sequences”
 
114 promotori guidano la trascrizione di 97 geni umani!
 
Per caso codificano cose secondarie, questi LTR “ERV-derived”?
 
“ERV promoters drive tissue-specific and lineage-specific patterns of gene expression and contribute to expression divergence between paralogs. These data illustrate the potential of retroviral sequences to regulate human transcription on a large scale consistent with a substantial effect of ERVs on the function and evolution of the human genome..”
 
Sembra proprio di no: in realtà codificano promotori per la trascrizione di proteine tessutali (di importanza primaria, ovviamente) e di proteine per l’espressione dei geni a seconda dei lignaggi!
 
Come è possibile che queste sequenze siano passate dall’essere “pezzi” di virus di “periferia” a rappresentare funzioni indispensabili nell’uomo, l’eucariota più evoluto?
 
C’è dell’altro?
 
Sì, e quello che segue è solo un’estrema sintesi di ciò che è emerso finora e sta emergendo in maniera preponderante dalla ricerca scientifica su queste sequenze.
 
Sin dal 1999, si è scoperto chiaramente che la trascrizione di geni umani coinvolti nella produzione di cellule sanguigne è regolata dall’LTR di un retrovirus endogeno:
 
 
Gli LTR di elementi retrovirali contengono promotori di trascrizione che aiutano a regolare l’espressione di geni umani coinvolti nel metabolismo del grasso e nella comunicazione cellulare nel fegato e nella placenta:
 
 
http://jvi.asm.org/content/77/13/7459.full
 
Si è scoperto che molti ERV sono in realtà promotori di trascrizione che aiutano a regolare l’espressione di geni presenti negli ovociti e negli embrioni dei topi:
 
 
 
Altri intervengono nella produzione di cellule embrionali e di cellule ematopoietiche nei primati:
 
 
ERV umani contengono promotori che regolano l’espressione dei geni relativi a funzioni di trasporto del bicarbonato, del tratto intestinale, delle ghiandole mammarie e dei testicoli, tessuti e altre varie specificità cellulari.
 
Il paradigma evolutivo del “DNA spazzatura”, o “junk-DNA”, ha sempre sostenuto la tesi secondo la quale solo le sequenze genomiche codificanti e poco altro hanno uno scopo ed un utilità per l’organismo: il resto sono reliquie vestigiali evolutive, “lande desolate” di funzionalità nelle quali i processi evolutivi hanno avuto la possibilità di provare e riprovare a generare funzione, ovvero innovazione biologica.
 
Come abbiamo visto, anche gli ERV rientrano più o meno in questa “interpretazione”: sarebbero anch’essi spazzatura proveniente da invasioni virali.
 
Il titanico progetto di ricerca “ENCODE” ha dimostrato che per una piccola parte delle cellule esaminate, rispetto alla enorme varietà esistente, un minimo di 80% del DNA possiede una qualche funzione, nella maggior parte dei casi sconosciuta, di fatto cancellando il paradigma del “DNA spazzatura”.
 
Tirando le somme della nostra trattazione, anche la ricerca scientifica sugli ERV contribuisce a sfatare questo “mito”, con la sola importante differenza che, per quanto riguarda gli ERV, la loro funzione è spesso ben compresa e studiata, togliendo ogni dubbio al riguardo.
 
Non possono essere dogmatiche descrizioni, altamente speculative, sull’ipotetica origine di queste importanti sequenze a relegarle definitivamente in un ruolo che non sembra affatto appartenergli.
 
Ad esempio, il fatto che gli ERV siano presenti in organismi ritenuti “imparentati” evolutivamente (un “effetto”) pretende di essere anche una spiegazione del perché possiedano una funzione utile all’organismo (una “causa”): in qualche modo, questi ipotetici ex-virus sono diventati utili all’organismo, espletando funzioni altamente specifiche in intricati e complessi sistemi cellulari.
 
Come? Non ci sono dettagli, solo dogmatici modelli.
 
Certo, gli ERV “interpretati” in questo modo consentono di applicare inferenze indispensabili alla teoria neo-darwinistica, ma è questa vera scienza?
 
Tornando alla nostra illustrazione, lo “stampo abusivo” dell’operario disonesto non è capitato per caso nelle macchine della “linea produttiva”, ma messo di proposito; la sua funzione è ben diversa e molto difficilmente “convertibile” – soprattutto da processi pseudo-casuali che ne devono conservare l’utilità ad ogni minima variazione – per soddisfare le esigenze del prodotto finito aziendale: sono due cose diverse, entrambe progettate e non collegate tra di loro se non per il fatto che una mente intelligente le ha pensate e realizzate singolarmente per un preciso scopo.
 
Più si approfondisce l’argomento ERV più un’altra mitica “icona” evolutiva si rivela in realtà una meravigliosa indicazione di un progetto.
Carlo Alberto Cossano