Genomica evolutiva e funzionale dei mitocondri

I mitocondri sono una componente fondamentale della cellula eucariote, non solamente la sua fonte primaria di energia. Tuttavia, le conoscenze a disposizione sui meccanismi di eredità e biogenesi di questo organelli sono limitati a pochi organismi modello e largamente incompleti. I mitocondri non possono essere sintetizzati de novo dalla cellula, ma si dividono per fissione e sono ereditati uniparentalmente. Tutti i mitocondri di un individuo derivano da una piccola popolazione di organelli che prolifera durante lo sviluppo. Questo fenomeno è noto col nome di 'bottleneck mitocondriale' e la sua natura è ancora oggetto di acceso dibattito: si tratta di una popolazione casuale (quindi di un campionamento soggetto a sola deriva genetica) oppure i mitocondri destinati a popolare la linea germinale sono selezionati? E come sono regolate la moltiplicazione e la segregazione dei mitocondri? Al momento non sono disponibili risposte chiare a queste domande.

Questa linea di ricerca si focalizza sull'eredità uniparentale doppia (Doubly Uniparental Inheritance, DUI), un inusuale meccanismo di eredità mitocondriale riscontrato finora in circa 50 specie di molluschi bivalvi. Gli organismi DUI possiedono due linee mitocondriali, una trasmessa attraverso le uova (F-type), l'altra attraverso gli spermatozoi (M-type): la divergenza nucleotidica (p-distance) fra due linee mitocondriali conspecifiche (F vs M) varia tra il 20% ed il 40%. Nelle specie DUI, in seguito all'anfimissi, l'embrione è eteroplasmico per il DNA mitocondriale (mtDNA), uno stato che è mantenuto solamente negli individui maschi, dove l'M-mtDNA diventa predominante nella gonade dell'adulto, mentre l'F-mtDNA è presente (in proporzioni sia tessuto- che specie-specifiche) nel soma. Nelle femmine, al contrario, l'M-mtDNA scompare, ripristinando la condizione omoplasmica. Negli embrioni maschili, l'aggregato di mitocondri proveniente dal colletto dello spermatozoo si va a localizzare inizialmente al centro del primo piano di divisione e successivamente raggiunge il blastomero 4d, dal quale si forma la gonade. Questo processo suggerisce una segregazione non casuale dei mitocondri nella linea germinale. Negli embrioni femminili invece, i mitocondri del colletto dello spermatozoo appaiono dispersi tra i blastomeri e vengono degradati o diluiti fino a raggiungere concentrazioni al di sotto del livello di detezione. Esistono evidenze sia molecolari che filogenetiche a supporto del fatto che la DUI si sia evoluta da un meccanismo di eredità matrilineare stretta, modalità di trasmissione mitocondriale tipica di tutti i metazoi.

Per sua stessa natura, la DUI rappresenta un sistema privilegiato che consente lo svolgi-mento di esperimenti semplici e relativamente poco costosi, rendendo possibile la raccolta di informazioni su caratteristiche fondamentali, ma ancora sconosciute, dei mitocondri. L'obbiettivo di questa linea di ricerca è quello di rendere la DUI un sistema modello per lo studio della biologia mitocondriale. In particolare, il maschio DUI è un sistema sperimentale unico: la coesistenza nello stesso organismo di due linee mitocondriali estremamente divergenti e che mostrano diverse interazioni con il genoma nucleare e le altre componenti cellulari (es.: citoscheletro, linea germinale), consente lo svolgimento di esperimenti non possibili su altri organismi. Inoltre, lo studio degli effetti dell'eteroplasmia e del suo ruolo nelle patologie mitocondriali necessita la produzione di cibridi (ibridi citoplasmatici) o mutanti eteroplasmici ottenuti per inbreeding. Questi modelli sono estremamente utili ma, oltre ad essere piuttosto costosi, la loro condizione eteroplasmica è artificiale, mentre nei maschi DUI è naturale, quindi le funzioni biologiche e le interazioni fra il nucleo ed i mitocondri sono il risultato inalterato dell'evoluzione. Fra queste interazioni, di particolare interesse sono due processi che plasmano i genomi: i conflitti genomici e la coevoluzione fra genoma nucleare e mitocondriale. Non esiste un sistema biologico migliore della DUI per studiare i suddetti processi.