Tutte le caratteristiche del cyrodraco antarctius: a cura della Dr.ssa Giulia Guerri
18 aprile 2021. L’omeostasi dell’ossigeno è essenziale per lo sviluppo, la crescita e l’integrità di cellule, tessuti e organismi. Il limitato apporto di ossigeno a cellule e tessuti (ipossia) ha una vasta gamma di conseguenze fisiologiche e potenzialmente patologiche, che vanno dalla cardiopatia ischemica / ipossica, ictus e ipertensione polmonare a una serie di complicazioni ostetriche / perinatali, alle malattie d’alta quota, a trapianto di organi e, infine, all’ipossia intratumorale e alla progressione del cancro. Nonostante l’importanza clinica e l’impatto sulla malattia sociale di una così vasta gamma di disturbi, le basi molecolari della suscettibilità o tolleranza delle cellule o dei tessuti alla mancanza di O2 non sono ben comprese. Molti studi hanno indagato i meccanismi che portano al danno quando le cellule sono private di O2, ma per trattare o prevenire potenzialmente le conseguenze dell’ipossia è necessaria anche la comprensione dei meccanismi intrinseci dei tessuti che sono fondamentali per la tolleranza e la sopravvivenza.
Numerosi studi si sono concentrati sui meccanismi molecolari alla base delle risposte di acclimatazione a fattori di stress ambientali tra cui l’ipossia e le fluttuazioni di temperatura nell’ultimo decennio [1].
I pesci ghiaccio antartici (Famiglia Channichthyidae) che abitano l’ambiente marino più freddo della Terra, rappresentano un modello unico e importante poiché sono gli unici vertebrati che mancano di geni funzionali dell’emoglobina e dei globuli rossi per il trasporto di ossigeno. Sono una delle otto famiglie del singolo sottordine perciforme, Notothenioidei, che dominano la fauna ittica che circonda l’Antartide [2].
Per queste caratteristiche, i pesci antartici sono stati studiati intensamente da prospettive morfologiche, fisiologiche, genetiche ed evolutive.
Il sangue di pesce ghiaccio trasporta ossigeno esclusivamente in soluzione fisica, con una conseguente capacità di trasporto di ossigeno per unità di volume sanguigno inferiore al 10% rispetto a quella dei pesci nototenioidi dell’Antartico a sangue rosso strettamente imparentati.
La concentrazione di ossigeno disciolto (DO) e la temperatura sono le variabili ambientali più importanti che influenzano i processi biologici complessivi dei pesci. La temperatura limita la velocità delle reazioni biochimiche cellulari e determina tutti gli aspetti della vita dei pesci, inclusi il metabolismo, lo sviluppo, la crescita, la riproduzione e il comportamento. L’ossigeno molecolare è utilizzato da tutte le cellule eucariotiche come accettore terminale di elettroni nella produzione di energia aerobica e la presenza di ossigeno adeguato è essenziale per la sopravvivenza di quasi tutti i vertebrati. La carenza di ossigeno può compromettere la generazione di energia cellulare, indurre la formazione di specie reattive dell’ossigeno (ROS) e portare a danni cellulari e apoptosi (morte cellulare). Negli ambienti acquatici, l’ipossia (DO <2 mg / L) si verifica spesso a causa delle proprietà intrinseche dell’acqua e delle rapide fluttuazioni nel modello di produzione e consumo di ossigeno
A causa dell’importanza dell’ossigeno e della temperatura per la loro vita, i pesci hanno sviluppato meccanismi versatili per acclimatare la carenza di ossigeno e le variazioni di temperatura nei loro habitat.
Diverse modifiche del sistema cardiovascolare dei pesci ghiaccio compensano la loro mancanza di un trasportatore di ossigeno circolante. L’ossigeno si diffonde dall’acqua di mare gelida nel circolo del plasma sanguigno attraverso le grandi branchie e la pelle liscia. Infatti, in acqua a bassa temperatura l’ossigeno è molto più solubile e tende ad essere assorbito dal sangue branchiale con più facilità. Inoltre questi pesci attuano una respirazione cutanea: presentano una fitta rete di capillari vicino alla cute, sprovvista di squame, dove può quindi avvenire un ulteriore scambio di gas con l’ambiente.
Questi pesci possiedono cuori molto grandi rispetto ai pesci a sangue rosso di dimensioni corporee equivalenti, risultando in una gittata cardiaca specifica per il peso che è da quattro a cinque volte maggiore di quella delle specie a sangue rosso. I volumi di sangue dei pesci ghiaccio sono fino a quattro volte quelli dei teleostei a sangue rosso e il diametro dei loro capillari è insolitamente grande. Queste caratteristiche consentono collettivamente a un grande volume di sangue di circolare attraverso i corpi dei pesci ghiaccio ad alta velocità, ma a bassa pressione vascolare a causa della ridotta resistenza periferica. Combinati con l’altissimo contenuto di ossigeno delle acque antartiche e tassi metabolici assoluti relativamente bassi, questi insoliti attributi cardiovascolari assicurano che l’ossigeno adeguato sia erogato ai tessuti per supportare la modalità obbligatoriamente aerobica del metabolismo di questi animali.
La perdita di emoglobina è accompagnata da modifiche uniche per favorire la diffusione dell’ossigeno all’interno delle cellule, attraverso una maggiore densità mitocondriale, un contenuto di fosfolipidi più elevato e dinamiche mitocondriali alterate. Sebbene tali adattamenti siano stati studiati a livello biochimico e cellulare, la base genomica sottostante è rimasta finora sfuggente.
Molto recentemente, l’RNA-seq è stato applicato per esplorare le risposte trascrizionali dei pesci all’ipossia e allo stress termico a livello dell’intero genoma [3]. Questi studi hanno dimostrato che l’ipossia e gli stress termici possono indurre profondi cambiamenti nei profili di espressione genica.
Le sequenze genomiche sono disponibili solo per un numero molto limitato di specie nototenioidi. Recentemente è stato sequenziato il genoma completo e dell’intero trascrittoma di alcune specie di pesce ghiaccio.
L’analisi del trascrittoma muscolare del pesce ghiaccio Chionodraco hamatus ha scoperto la duplicazione selettiva dei geni che codificano le proteine mitocondriali rispetto ad altre specie di teleostei. Le analisi comparative del genoma del pesce ghiaccio Chionodraco myersi con quelle di altre specie di teleostei, inclusi due nototenioidi a sangue bianco e cinque a sangue rosso, hanno fornito una nuova prospettiva sulla perdita evolutiva dei geni globinici. Analisi comparative del trascrittoma muscolare contro nototenioidi a sangue rosso e pesci temperati hanno rivelato la peculiare regolazione dei geni coinvolti nella funzione mitocondriale nel pesce ghiaccio. La duplicazione genica e cambiamenti nella sequenza del promotore sono state identificate come modelli a livello di genoma delle caratteristiche uniche dei mitocondri del pesce ghiaccio [4]. Inoltre osservando il genoma di Chaenocephalus aceratus, i ricercatori hanno anche rilevato adattamenti evolutivi alla temperatura, alcuni erano comuni ai pesci a sangue rosso che vivono nelle acque antartiche, come la presenza di un’ampia espansione dei geni coinvolti nella protezione dai danni del ghiaccio, inclusi i geni che codificano la glicoproteina antigelo e le proteine della zona pellucida. Ed anche adattamenti più strettamente legati alla mancanza di globuli rossi, come l’aumento degli enzimi che proteggono i tessuti dall’ossigeno libero altamente reattivo presente nel sangue [5].
Per poter aumentare le conoscenze dei meccanismi molecolari alla base di questi adattamenti evolutivi estremi è importante ampliare l’analisi del genoma anche di altre specie di pesce ghiaccio. Per questo, stiamo portando avanti un progetto di sequenziamento del genoma completo al momento non ancora disponibile e del trascrittoma di un’altra specie di pesce ghiaccio, il Cryodraco antarcticus, membro del genere Cryodraco. La disponibilità dei genomi e trascrittomi di ulteriori specie renderà possibile un’analisi comparativa più efficace, per aiutare a scoprire i meccanismi molecolari alla base dell’evoluzione di questo gruppo unico di vertebrati. Questo ci permetterà anche di studiare meglio i meccanismi alla base degli adattamenti per aumentare la diffusione dell’ossigeno ai tessuti come modello per le ischemie, per poter individuare potenziali bersagli per strategie traslazionali e terapeutiche.
Riferimenti bibliografici
- Long Y, Yan J, Song G, et al. Transcriptional events co-regulated by hypoxia and cold stresses in Zebrafish larvae. BMC Genomics. 2015;16(1):385. Published 2015 May 15. doi:10.1186/s12864-015-1560-y
- Sidell BD, O’Brien KM. When bad things happen to good fish: the loss of hemoglobin and myoglobin expression in Antarctic icefishes. J Exp Biol. 2006 May;209(Pt 10):1791-802. doi: 10.1242/jeb.02091. PMID: 16651546.
- Zhou D, Udpa N, Gersten M, Visk DW, Bashir A, Xue J, Frazer KA, Posakony JW, Subramaniam S, Bafna V, Haddad GG. Experimental selection of hypoxia-tolerant Drosophila melanogaster. Proc Natl Acad Sci U S A. 2011 Feb 8;108(6):2349-54. doi: 10.1073/pnas.1010643108.
- Bargelloni, L., Babbucci, M., Ferraresso, S. et al. Draft genome assembly and transcriptome data of the icefish Chionodraco myersi reveal the key role of mitochondria for a life without hemoglobin at subzero temperatures. Commun Biol 2, 443 (2019).
- Kim, BM., Amores, A., Kang, S. et al. Antarctic blackfin icefish genome reveals adaptations to extreme environments. Nat Ecol Evol 3, 469–478 (2019). https://doi.org/10.1038/s41559-019-0812-7
Dottoressa Giulia Guerri
https://www.biotecnologie-news.it/2020/11/02/tutte-le-caratteristiche-del-cyrodraco-antarctius/
