Natura contro Nurture contro il rumore

Gli scienziati tipicamente considerano il fenotipo di una cellula o di un organismo – i tratti che esprime nella sua forma, fisiologia e comportamento – come la somma complessa di fattori genetici e ambientali, o “natura” e “nurture”. Una grande quantità di ricerche è dedicata all’identificazione dei contributi dei primi: a stabilire, per esempio, come determinate mutazioni possano determinare la forma di un arto o l’insorgenza di una malattia. “Questo è certamente un paradigma molto potente”, ha detto Arjun Raj, un biologo dei sistemi all’Università della Pennsylvania. “

Tutto ciò che non viene attribuito al controllo genetico tende ad essere attribuito a diversi fattori ambientali, dalla nutrizione allo stress alle interazioni sociali idiosincratiche. È una linea di pensiero che “suggerisce che deve essere qualcosa al di fuori dell’organismo”, ha detto Kevin Mitchell, un genetista e neuroscienziato al Trinity College di Dublino.

Ma le prove abbondano che questo non è completamente vero. I gemelli umani identici che condividono sia il genoma che la casa non hanno esattamente lo stesso aspetto o lo stesso comportamento. Una mutazione che causa un disturbo in uno potrebbe non esserlo nell’altro. I gemelli hanno persino impronte digitali diverse.

Lo stesso vale per le popolazioni di batteri, i pesci clonati, le mosche e i topi inbred. Alcuni agenti patogeni o cellule tumorali sviluppano resistenza ai farmaci, mentre le loro cellule sorelle geneticamente identiche muoiono. I fratelli di gamberi marmorizzati cresciuti in un laboratorio dove il loro ambiente è mantenuto costante non finiscono solo per avere colori o forme o comportamenti diversi – le loro differenze sono anche abbastanza significative da stabilire un’intera gerarchia sociale.

Anche all’interno di un singolo organismo, sorgono asimmetrie tra i lati destro e sinistro della faccia, del corpo e del cervello. La ricerca sta rendendo sempre più chiaro che queste differenze non possono essere liquidate come effetti ambientali inspiegabili.

Il che lascia il rumore – i tremori e le fluttuazioni casuali che caratterizzano qualsiasi processo biologico. “Il rumore è inevitabile”, ha detto Andreas Wagner, un biologo evoluzionista dell’Università di Zurigo, “un sottoprodotto inevitabile della vita”

Quello che rende il rumore inevitabile, ha spiegato Mitchell, è che qualsiasi organismo è troppo complesso perché i geni possano delineare, in modo esaustivo e da soli, esattamente come costruirlo. Il cablaggio del cervello da solo deve nascere con relativamente poche istruzioni.

“Il genoma non è un progetto”, ha detto Mitchell. “Non codifica un risultato specifico. Codifica solo alcune regole biochimiche, alcuni algoritmi cellulari con cui l’embrione in via di sviluppo si auto-organizza”. Le molecole rimbalzano e interagiscono in una cellula, legandosi, staccandosi e diffondendosi a caso. I processi che producono le proteine e accendono e spengono i geni sono soggetti a questo “jitter molecolare nel sistema”, come lo chiama Mitchell – che porta a un certo grado di casualità in quante molecole proteiche sono fatte, come si assemblano e si piegano, e come soddisfano la loro funzione e aiutano le cellule a prendere decisioni.

Come risultato, è perfettamente naturale che lo sviluppo, il complesso processo che trasforma una singola cellula in un intero organismo, sia “un po’ disordinato”, ha detto Mitchell.

Ma il rumore dello sviluppo è stato spesso liquidato come nient’altro che questo: qualcosa che offusca come i sistemi biologici dovrebbero idealmente funzionare. Non è stato trattato come una fonte di creatività biologica a sé stante, e certamente non sembrava qualcosa che potesse essere alla base di grandi differenze in tratti importanti come il comportamento o la personalità.

Anche quando gli scienziati hanno voluto concentrarsi sugli effetti di quel rumore, si sono trovati a sbattere contro un muro: Per definizione, il rumore non è sistematico o prevedibile, e di conseguenza, è quasi proibitivo da isolare e misurare. “È il più difficile da controllare, con cui giocare”, ha detto Bassem Hassan, un neurobiologo del Paris Brain Institute. “Si può giocare con il genoma, si può giocare con l’ambiente, si può giocare con la fisiologia, si possono attivare certe cellule e non altre. … È molto più difficile manipolare la variazione” e dimostrare che è la causa delle differenze in un tratto di interesse.

Mitchell è d’accordo. “Per sua stessa natura”, ha detto, “le cose casuali sono semplicemente super difficili da lavorare”. Gli strumenti per studiare il comportamento delle singole cellule, compresa la loro espressione genica, la produzione di proteine e le decisioni sul destino dello sviluppo, sono diventati abbastanza sofisticati da permettere agli scienziati di porre domande sulle cause più sottili della variazione. E quello che hanno scoperto è che il rumore dello sviluppo gioca un ruolo che non può più essere trascurato. Non è solo un effetto ineluttabile che i sistemi viventi devono sopportare, ma qualcosa che quei sistemi si sono evoluti per trarne vantaggio, trasformandolo in un driver necessario del corretto sviluppo di un individuo e forse anche dell’evoluzione più in generale.

Un arcobaleno di casualità

Un punto di svolta è arrivato nel 2002. Iniziò con dei batteri e un arcobaleno.

Michael Elowitz, professore di biologia e ingegneria biologica al California Institute of Technology, e i suoi colleghi volevano testare la variazione nelle cellule di E. coli che crescevano nello stesso ambiente. Hanno inserito due copie di un gene nei batteri: una che codificava una proteina fluorescente ciano e un’altra che codificava una gialla. Poiché avevano progettato i geni per essere regolati in modo identico, si aspettavano di vedere le cellule produrre entrambe le proteine in quantità uguali. Invece, all’interno di ogni singola cellula, i geni ciano e giallo erano espressi in modo non uniforme – e questi rapporti differivano notevolmente da cellula a cellula. Alcune cellule brillavano più giallo che ciano, altre più ciano che giallo. Altre ancora erano più di un mix, e tutto ciò si è verificato apparentemente a caso. Questo arcobaleno, Elowitz e il suo team si sono resi conto, era un chiaro risultato del rumore inerente al processo di espressione genica. Stavano finalmente vedendo gli effetti del “jitter molecolare”.

Da allora, gli scienziati hanno studiato il ruolo che il rumore intrinseco gioca in altri processi cellulari. Può essere visto nel modo in cui una popolazione di cellule identiche dà origine a diversi discendenti specializzati; nel modo in cui alcune, ma non tutte, di un gruppo di cellule possono rispondere a un dato segnale; nel modo in cui un tessuto in via di sviluppo si modella. Le cellule fanno uso del rumore per creare la necessaria variabilità nel loro comportamento e stato biologico.

Ma questo è a livello della cellula. Potrebbe essere che queste differenze tendano ad equilibrarsi in molte di queste cellule. Distinguere se il rumore potrebbe effettivamente influenzare gli organismi di livello superiore – propagandosi attraverso lo sviluppo per influenzare il modo in cui un animale adulto risulterebbe – era quindi una storia diversa.

Per prima cosa, richiederebbe sistemi sperimentali molto specifici costituiti da molti individui con gli stessi genomi, accuratamente allevati nelle stesse condizioni ambientali. In una certa misura, questo è stato fatto. I ricercatori hanno scoperto che le mosche consanguinee, geneticamente identiche, in laboratorio mostrano preferenze uniche quando rispondono a un compito di navigazione. I pesci clonati mostrano comportamenti diversi come quelli osservati nei pesci geneticamente variabili, mentre l’alterazione dell’ambiente dei pesci ha un effetto trascurabile.

Ma questi risultati non provano ancora che il rumore durante gli eventi di sviluppo abbia causato quelle differenze specifiche. “La preoccupazione, quando si dice che c’è una certa variabilità anatomica o fisiologica”, ha detto Mitchell, “è che la gente può sempre tornare indietro e dire: ‘Beh, questo è solo un fattore ambientale che non conoscevi'”

Ma un nuovo studio, pubblicato sul sito preprint biorxiv.org a dicembre, ha portato questo tipo di lavoro al livello dell’espressione genica – e in un mammifero, niente di meno.

Assumete l’armadillo a nove bande.

I quadrupli che non sono

Gli armadilli a nove bande hanno una strategia riproduttiva insolita. Hanno sempre cucciolate di quadrupli, quattro bambini armadillo geneticamente identici. Jesse Gillis, un biologo computazionale al Cold Spring Harbor Laboratory di New York, e i suoi colleghi hanno deciso di approfittare di questo modello di nascita per determinare quando il rumore casuale dello sviluppo inizia a portare a differenze nella fisiologia e nel comportamento degli animali adulti.

“È un sistema fantastico su cui lavorare sperimentalmente”, ha detto Mitchell, che non era coinvolto nel lavoro. “Voglio dire, a chi non piacciono gli armadilli?”

Il team di Gillis ha presto scoperto che la variazione nell’espressione genica appare molto, molto presto.

Hanno ottenuto campioni di sangue da cinque cucciolate di armadillo, sequenziando il loro RNA tre volte diverse durante l’anno dopo la nascita degli animali e analizzando quei dati per modelli unici di espressione genica. Hanno iniziato guardando un classico processo casuale nella genetica: l’inattivazione di un cromosoma X.

Negli armadilli, negli esseri umani e nella maggior parte degli altri mammiferi, le femmine hanno due cromosomi X in ciascuna delle loro cellule. Per mantenere i livelli di espressione dei geni X-linked coerenti tra maschi e femmine, ad un certo punto durante lo sviluppo, un cromosoma X è completamente spento. Il fatto che una cellula scelga di spegnere il cromosoma X ereditato dalla madre dell’organismo o quello del padre avviene interamente per caso – come lanciare una moneta, secondo Gillis. Eppure quel lancio della moneta stabilisce in pietra quali geni X-linked dei genitori saranno espressi in tutti i discendenti di quella cellula.

L’analisi di Gillis ha scoperto che questo lancio arbitrario della moneta si è verificato quando gli embrioni di armadillo erano composti da sole 25 cellule. E poiché la combinazione precisa di 25 selezioni X materne o paterne casuali era diversa in ogni embrione, è diventata una “firma di identificazione” permanente per ciascuno dei membri geneticamente identici della covata di armadilli.

Il gruppo ha poi rivolto la sua attenzione alle altre 31 coppie di cromosomi negli armadilli. Nessuno dei due cromosomi in queste coppie viene completamente silenziato come l’X inattivato, ma le differenze emergono in quanto ciascuno è attivo e quanto contribuisce all’espressione genica complessiva. I ricercatori hanno usato un metodo di apprendimento automatico per analizzare quando questi rapporti unici sono diventati fissi nei lignaggi cellulari. Hanno stimato che è successo quando gli embrioni avevano solo un paio di centinaia di cellule.

In un armadillo che alla fine avrà un trilione di cellule o giù di lì, “questi eventi stanno accadendo così presto”, ha detto Kate Laskowski, un ecologista comportamentale presso l’Università della California, Davis che fa un lavoro correlato nei pesci clonali ma non ha partecipato allo studio. “Hanno l’opportunità di avere effetti a valle davvero forti. Una cellula all’inizio dello sviluppo sarà il progenitore di centinaia, migliaia, milioni di cellule più tardi nella vita.”

È come le increspature che si espandono nell’acqua: Lanciate un sasso in un lago, e il suo peso e la sua forma, insieme alla forza con cui viene lanciato, lo porteranno a generare un’increspatura diversa da quella di un altro sasso. La fisica prevedibile di come un’increspatura si diffonde lascia propagare gli effetti di quelle condizioni iniziali uniche. Allo stesso modo, il rumore casuale che stabilisce un modello leggermente diverso di espressione genica in ogni embrione di armadillo viene amplificato attraverso la sua influenza su altri processi di sviluppo e alla fine produce differenze nei tratti.

Per determinare quali potrebbero essere questi effetti a valle, gli scienziati hanno esaminato le differenze nell’espressione genica complessiva. Hanno trovato che i fratelli armadillo variavano nella loro espressione di circa 500-700 dei loro 20.000 geni (anche se gli scienziati si aspettano che la loro analisi ha mancato alcune fluttuazioni, quindi questo potrebbe essere una sottostima). Inoltre, non era sempre gli stessi 700 geni o giù di lì che sono stati colpiti in ogni cucciolata, offrendo ulteriori prove che la casualità ha dettato la variazione.

Queste differenze di espressione genica, a sua volta, sembrava correlare con le differenze in una varietà di tratti, soprattutto quelli associati ai processi immunitari e ormonali. Più ovviamente, in una cucciolata, alcuni dei geni erano associati con la crescita muscolare – e quei fratelli hanno effettivamente variato significativamente in termini di dimensioni. Mentre è necessario ulteriore lavoro per cementare queste associazioni, Gillis e i suoi colleghi hanno stimato che circa il 10% della variazione totale che hanno osservato tra gli armadilli potrebbe essere attribuito al rumore dello sviluppo.

“L’idea che il tuo fenotipo e come ti comporti potrebbe essere il risultato di eventi apparentemente casuali quando sei una palla di un paio di dozzine a un paio di centinaia di cellule”, ha detto Laskowski, “per me, è affascinante.”

Fluctuations Affecting Behavior

Questi eventi casuali sembrano giocare il ruolo maggiore quando si tratta di comportamento. Negli esseri umani, per esempio, i gemelli identici differiscono molto di più nei tratti psicologici che in quelli fisici. E poiché si pensa che le differenze psicologiche riflettano il modo in cui il cervello è messo insieme, il cervello è dove gli scienziati stanno iniziando a guardare.

Durante lo sviluppo, il cervello è particolarmente rumoroso: le connessioni tra i neuroni crescono costantemente e vengono potate, spesso in modo casuale. I canali ionici si aprono spontaneamente e le sinapsi rilasciano spontaneamente neurotrasmettitori, senza alcuna ragione evidente.

Sono stati trovati dei geni che governano la variazione di sviluppo nei tratti anatomici e comportamentali. Alterando questi geni, i ricercatori sono stati in grado di testare le loro ipotesi sul ruolo del rumore nel dettare la formazione del cervello e il comportamento. L’esempio più allettante di questo è venuto all’inizio di questo mese, in un documento pubblicato da Hassan e i suoi colleghi in Scienza.