Le cellule del sangue umano discendono da un programma genetico nato 700 milioni di anni fa in antenati unicellulari, governato da un singolo gene chiamato Fos. Lo dimostra uno studio dell'Università di Kyoto guidato da Hiroshi Kawamoto, pubblicato sulla rivista Pnas, Proceedings of the National Academy of Sciences.
Il gene Fos, l'interruttore unicellulare riusato dagli animali
La maggior parte delle ricostruzioni divulgative si ferma al messaggio principale: il sangue ha 700 milioni di anni. Il paper su Pnas però va oltre e indica un meccanismo molto preciso. Il programma cellulare che ha dato origine alle prime cellule del sangue non è stato creato da zero, ma riadattato a partire da un toolkit unicellulare premetazoico governato dal gene Fos. Significa che gli antenati degli animali avevano già attivo il circuito molecolare che, riusato e specializzato, ha prodotto i primi macrofagi.
I macrofagi sono cellule fagocitarie: inglobano detriti, microbi e cellule morte. Sono presenti in praticamente tutti gli animali, anche nei cnidari come meduse e coralli, e il loro profilo di espressione genica è il più vicino a quello di organismi unicellulari moderni imparentati con i metazoi. Questa vicinanza è la firma molecolare che gli autori hanno cercato per datare l'origine del sangue animale. Studi paralleli hanno mostrato come l'analisi filogenetica stia trasformando interi campi della ricerca, come dimostra la storia evolutiva del cacao spinta indietro di 75 milioni di anni.
Mastociti nati per uccidere i parassiti: ecco perché esistono le allergie
Il secondo passaggio della mappa evolutiva è quello che i competitor italiani hanno raccontato in modo più sbrigativo. Dopo i macrofagi, alla radice dei Bilateria (animali con simmetria bilaterale, ossia quasi tutti gli animali tranne spugne e cnidari), è comparsa una nuova linea cellulare: i mastociti. Il paper specifica la ragione evolutiva: i mastociti hanno acquisito proteasi granulari, enzimi capaci di danneggiare la cuticola dei parassiti. Sono nati come una linea "killer" antiparassitaria.
È un dettaglio che cambia la cornice della divulgazione. Le reazioni allergiche moderne, in cui i mastociti rilasciano istamina, sono il riadattamento di un programma nato per combattere vermi e parassiti intestinali quando i nostri antenati erano organismi acquatici primitivi. Dai mastociti, in seguito, si sono diramati i linfociti T e NK, i globuli rossi e le piastrine. I linfociti B, produttori di anticorpi, hanno invece una storia diversa: derivano direttamente dai macrofagi, non dai mastociti.
Il timo nelle branchie e sei specie a confronto
Per arrivare a queste conclusioni il gruppo di Kyoto ha confrontato i transcrittomi, cioè i profili di geni attivi, di sei modelli distanti tra loro: uomo, topo, pesce zebra, ascidie (Ciona robusta e Ciona intestinalis), moscerino della frutta e nematode Caenorhabditis elegans. È la scala del campionamento, raramente citata, che dà forza alla ricostruzione. Una capacità di leggere dati antichi che ricorda altri lavori recenti su il cratere d'impatto più antico mai scoperto sulla Terra.
Un risultato laterale ma sorprendente riguarda il timo, l'organo dove maturano i linfociti T. Secondo lo studio, una sua forma prototipica si è formata ai bordi delle branchie negli antenati cordati. L'organo che oggi governa l'immunità adattativa è nato letteralmente all'interfaccia tra l'organismo e l'acqua di mare, dove la pressione dei patogeni era massima. Tracce di questa storia restano nel midollo osseo dei mammiferi: alcune cellule staminali ematopoietiche conservano potenziali differenziativi limitati, eredi degli antichi progenitori "origo-lineage".
La ricaduta clinica è il vero obiettivo a lungo termine. Sapere quali programmi cellulari sono antichi e quali sono innovazioni recenti aiuta a leggere le leucemie e i linfomi come riattivazioni di moduli evolutivi più che come errori casuali. Lo stesso tipo di logica filogenetica sta cambiando anche la neurobiologia, come mostrano gli studi sulla conversione delle cellule della pelle in neuroni. Le prossime terapie immunologiche e oncologiche potrebbero nascere proprio da questa mappa di 700 milioni di anni.
Domande frequenti
Qual è il ruolo del gene Fos nell'evoluzione del sangue?
Il gene Fos ha agito come un interruttore genetico che, già presente negli antenati unicellulari, è stato riadattato per dare origine alle prime cellule del sangue negli animali. Questo riutilizzo di un programma preesistente ha permesso lo sviluppo dei macrofagi e delle altre cellule ematiche.
Come si sono evoluti i macrofagi e quale funzione svolgono?
I macrofagi si sono evoluti riadattando un circuito molecolare già attivo nei progenitori unicellulari degli animali. Svolgono una funzione fagocitaria, ovvero inglobano detriti, microbi e cellule morte, e sono presenti in quasi tutti gli animali.
Perché sono nati i mastociti e qual è il loro legame con le allergie?
I mastociti si sono evoluti come risposta evolutiva per combattere i parassiti, grazie a enzimi capaci di danneggiare la loro cuticola. Le reazioni allergiche moderne rappresentano un riadattamento di questo antico programma antiparassitario.
Qual è l'importanza del confronto tra specie diverse nello studio?
Il confronto tra i profili genetici di sei specie distanti, tra cui uomo, topo, pesce zebra, ascidie, moscerino della frutta e nematode, ha permesso di ricostruire con precisione l'evoluzione delle cellule del sangue. Questa ampia scala comparativa rafforza la validità dei risultati ottenuti.
Che ruolo ha avuto il timo nell'evoluzione dell'immunità adattativa?
Il timo, dove oggi maturano i linfociti T, originariamente si è formato ai bordi delle branchie degli antenati cordati, in risposta alla forte pressione dei patogeni marini. Questa origine spiega la sua funzione centrale nell'immunità adattativa degli animali moderni.
In che modo queste scoperte possono influenzare la medicina moderna?
Comprendere quali programmi cellulari sono antichi e quali rappresentano innovazioni recenti aiuta a interpretare malattie come leucemie e linfomi come riattivazioni di moduli evolutivi. Queste conoscenze potrebbero guidare lo sviluppo di nuove terapie immunologiche e oncologiche.
