UNIVERSITY PARK, Pa. – Per la prima volta sono stati sequenziati i genomi della giraffa e del suo parente vivente più prossimo, il solitario okapi della foresta pluviale africana, rivelando i primi indizi sui cambiamenti genetici che hanno portato all’evoluzione del collo eccezionalmente lungo della giraffa e alla sua posizione record come specie terrestre più alta del mondo. La ricerca sarà pubblicata sulla rivista scientifica Nature Communications il 17 maggio 2016.
“La statura della giraffa, dominata dal suo lungo collo e dalle gambe e un’altezza complessiva che può raggiungere i 19 piedi (~ 6 m), è una straordinaria impresa di evoluzione che ha ispirato stupore e meraviglia per almeno 8.000 anni – fin dalle famose incisioni rupestri di Dabous nella Repubblica del Niger”, ha detto Douglas Cavener della Penn State, che ha guidato il team di ricerca con Morris Agaba del Nelson Mandela African Institute for Science and Technology in Tanzania.
Come ha fatto la giraffa ad avere il collo lungo?
Come ha fatto la giraffa ad avere il collo lungo? Gli indizi sono ora rivelati dal nuovo sequenziamento del genoma. Per la prima volta, i genomi della giraffa e del suo più vicino parente vivente, il solitario okapi della foresta pluviale africana, sono stati sequenziati – rivelando i primi indizi sui cambiamenti genetici che hanno portato all’evoluzione del collo eccezionalmente lungo della giraffa e la sua posizione da record come specie terrestre più alta del mondo. La ricerca è pubblicata sulla rivista scientifica Nature Communications. Douglas Cavener della Penn State ha guidato il team di ricerca con Morris Agaba del Nelson Mandela African Institute for Science and Technology in Tanzania.
“I cambiamenti evolutivi richiesti per costruire l’imponente struttura della giraffa e per dotarla delle modifiche necessarie al suo sprint ad alta velocità e alle sue potenti funzioni cardiovascolari sono rimasti una fonte di mistero scientifico fin dal 1800, quando Charles Darwin si interrogò per la prima volta sulle origini evolutive della giraffa”, ha detto Cavener, professore di biologia e Verne M. Willaman Dean dell’Eberly College of Science alla Penn State. Il cuore della giraffa, per esempio, deve pompare il sangue a due metri di altezza per fornire un ampio apporto di sangue al suo cervello. Questa impresa è possibile perché il cuore della giraffa si è evoluto per avere un ventricolo sinistro insolitamente grande, e la specie ha anche la pressione sanguigna che è due volte più alta di altri mammiferi.
Per identificare i cambiamenti genetici che possono essere responsabili delle caratteristiche uniche della giraffa, compresi gli sprint che possono raggiungere 37 miglia all’ora (60 km/h), Cavener e Agaba hanno confrontato le sequenze di codifica genica della giraffa e l’okapi a più di 40 altri mammiferi tra cui la mucca, la pecora, la capra, il cammello e l’uomo. “Le sequenze genetiche dell’okapi sono molto simili a quelle della giraffa perché l’okapi e la giraffa si sono separate da un antenato comune solo 11-12 milioni di anni fa – in tempi relativamente recenti per l’evoluzione”, ha detto Cavener. Nonostante questa stretta relazione evolutiva, l’okapi assomiglia più a una zebra e non ha l’altezza imponente della giraffa e le sue impressionanti capacità cardiovascolari”. Per queste due ragioni, la sequenza del genoma di Okapi fornisce un potente schermo che abbiamo usato per identificare alcuni dei cambiamenti genetici unici della giraffa.”
Utilizzando una batteria di test comparativi per studiare le sequenze del genoma della giraffa e dell’okapi, gli scienziati hanno scoperto 70 geni che hanno mostrato molteplici segni di adattamenti. “Questi adattamenti includono sostituzioni di sequenze di aminoacidi uniche che si prevede alterino la funzione delle proteine, divergenza di sequenze proteiche e selezione naturale positiva”, ha detto Cavener. Più della metà dei 70 geni codificano per proteine che sono note per regolare lo sviluppo e la fisiologia del sistema scheletrico, cardiovascolare e nervoso – proprio il tipo di geni previsti per essere necessari per guidare lo sviluppo delle caratteristiche uniche della giraffa.
Tra le scoperte del team di ricerca sono che diversi geni noti per regolare lo sviluppo del sistema cardiovascolare o per controllare la pressione sanguigna sono tra i geni che mostrano molteplici segni di adattamento nella giraffa. Alcuni di questi geni controllano sia lo sviluppo cardiovascolare che lo sviluppo scheletrico, suggerendo l’intrigante possibilità che la statura della giraffa e il sistema cardiovascolare turbo si siano evoluti di concerto attraverso cambiamenti in un piccolo numero di geni.
Gli scienziati hanno anche scoperto indizi genetici per l’evoluzione del lungo collo e delle gambe della giraffa, che hanno lo stesso numero di ossa del collo e delle gambe degli umani e di altri mammiferi. “Per raggiungere la loro straordinaria lunghezza, le vertebre cervicali delle giraffe e le ossa delle gambe si sono evolute per essere molto estese”, ha detto Cavener. “Sono necessari almeno due geni – un gene per specificare la regione dello scheletro da far crescere di più e un altro gene per stimolare una maggiore crescita”. Tra i 70 geni che la ricerca del team ha rivelato sono marcatamente diversi nella giraffa, gli scienziati hanno identificato i geni che sono noti per regolare entrambe queste funzioni.
“Il più intrigante di questi geni è FGFRL1, che ha un gruppo di sostituzioni di aminoacidi unico alla giraffa che si trovano nella parte della proteina che lega i fattori di crescita dei fibroblasti – una famiglia di regolatori coinvolti nella regolazione di molti processi tra cui lo sviluppo embrionale”, ha detto Cavener. Questo percorso dei fattori di crescita dei fibroblasti gioca un ruolo cruciale nel controllo dello sviluppo, a partire dallo sviluppo precoce dell’embrione fino alla fase di crescita delle ossa dopo la nascita della giraffa. Negli esseri umani e anche nei topi, gravi difetti scheletrici e cardiovascolari sono associati a mutazioni debilitanti in questo gene.
Gli scienziati hanno anche identificato quattro geni homeobox – il tipo coinvolto nello sviluppo delle strutture del corpo – che sono noti per specificare le regioni della spina dorsale e delle gambe. Cavener ipotizza: “La combinazione di cambiamenti in questi geni homeobox e il gene FGFRL1 potrebbe fornire due degli ingredienti necessari per l’evoluzione del lungo collo e delle gambe della giraffa.”
Agaba ha notato prima un gruppo di geni che regolano il metabolismo e la crescita che erano divergenti nella giraffa rispetto all’okapi. Uno di questi geni codifica il recettore per l’acido folico, che è una vitamina B essenziale necessaria per la crescita e lo sviluppo normale. Altri geni metabolici che gli scienziati hanno trovato essere significativamente cambiati nella giraffa sono quelli coinvolti nel metabolismo degli acidi grassi volatili che sono generati dalla fermentazione delle piante ingerite – la principale fonte di energia per la giraffa e altri ruminanti come bovini e capre. La giraffa ha una dieta insolita di foglie e semi di acacia, che sono altamente nutrienti, ma sono anche tossici per gli altri animali. Gli scienziati ipotizzano che i geni responsabili della metabolizzazione delle foglie di acacia possano essersi evoluti nella giraffa per aggirare questa tossicità.
Cavener e Agaba, entrambi genetisti sperimentali, dicono che sono ansiosi di testare la funzione di alcuni dei geni identificati che credono possano essere responsabili delle caratteristiche uniche della giraffa. Il loro team di ricerca sta attualmente testando l’effetto potenziale delle differenze uniche del gene FGFRL1 della giraffa introducendo questi cambiamenti nei topi utilizzando i nuovi metodi di editing genico CRISPR. La sostituzione del gene FGFRL1 della giraffa nel topo non dovrebbe creare un topo dal collo lungo. Tuttavia, gli scienziati sperano di vedere come il gene FGFRL1 della giraffa può influenzare la crescita differenziale della colonna vertebrale e delle gambe dei topi che è predittiva delle caratteristiche uniche della giraffa.
“Speriamo che la pubblicazione del genoma della giraffa e gli indizi della sua biologia unica attirerà l’attenzione su questa specie alla luce del recente declino precipitoso delle popolazioni di giraffe”, ha detto Cavener. “Mentre la situazione dell’elefante – compagno più breve della giraffa nella savana africana – ha ricevuto la parte dei leoni di attenzione, le popolazioni di giraffe sono diminuite del 40% negli ultimi 15 anni a causa del bracconaggio e della perdita di habitat (http://www.giraffeconservation.org). A questo ritmo di declino, il numero di giraffe in natura scenderà sotto le 10.000 unità entro la fine di questo secolo. Alcune sottospecie di giraffe sono già sull’orlo dell’estinzione.”
Oltre ad Agaba e Cavener, altri membri del team di ricerca includono Edson Ishengoma del Nelson Mandela African Institute for Science and Technology; Webb C. Miller, Barbara C. McGrath, Chelsea Hudson, Oscar C. Bedoya Reina, Aakrosh Ratan, Rico Burhans, Rayan Chikhi, Paul Medvedev, Craig A. Praul, Lan Wu-Cavener e Brendan Wood della Penn State; Heather Robertson dello Zoo di Nashville e Linda Penfold della White Oak Conservancy.
Questa ricerca ha ricevuto il sostegno finanziario della Penn State, del Penn State’s Huck Institutes of the Life Sciences e del Nelson Mandela African Institute for Science and Technology.
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Le sequenze genetiche dell’okapi sono molto simili a quelle della giraffa perché l’okapi e la giraffa si sono separate da un antenato comune solo 11-12 milioni di anni fa – in tempi relativamente recenti per l’evoluzione. Nonostante questa stretta relazione evolutiva, l’okapi assomiglia più a una zebra e non ha l’altezza imponente della giraffa e le sue impressionanti capacità cardiovascolari. Per queste due ragioni… Leggi tutto ‘
Immagine: Licenza Creative Commons CCBY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/deed.en) A-Z Animal User: Raul654
Un maschio adulto di griaffa Masai nel Mikumi National Park, Tanzania. Credito foto: Doug Cavener
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Una giraffa femmina adulta nella Ngorongoro Conservation Area, Tanzania. Credito foto: Doug Cavener
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Giraffa Masai maschio adulto nel Parco Nazionale del Serengeti, Tanzania. Credito foto: Doug Cavener
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L’autore della ricerca Doug Cavener con la giraffa Masai maschio adulto allo zoo di Nashville, Nashville, Tennessee USA.
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Femmina incinta di giraffa Masai nel Ruaha National Park, Tanzania. Credito foto: Doug Cavener
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Adulto maschio Masai giraffa mangiare foglie di acacia nel Mikumi National Park, Tanzania. Credito foto: Doug Cavener
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Giovani giraffe Masai nel Ruaha National Park, Tanzania. Credito foto: Doug Cavener
Immagine: Crediti fotografici: Doug Cavener(1 di 8)