Segreti biologici del vertebrato terrestre più longevo del mondo: analisi genomica ed epigenetica di Jonathan

Il tempo sembra essersi fermato per Jonathan, la celebre tartaruga gigante di Aldabra (scientificamente nota come Aldabrachelys gigantea) che vive sull’isola di Sant’Elena, nell’Atlantico meridionale. Con una età stimata di 194 anni, Jonathan detiene ufficialmente il primato di animale terrestre più vecchio del mondo vivente oggi. Per comprendere a fondo le basi molecolari di questo straordinario successo biologico, un team internazionale di ricercatori ha sequenziato il suo genoma e il suo metiloma, confrontandoli con quelli di altri esemplari della stessa specie di età differente. I risultati offrono una prospettiva inedita sui meccanismi di longevità estrema nei vertebrati.

Un viaggio straordinario nel tempo e nella genetica

La normale aspettativa di vita delle tartarughe giganti di Aldabra si aggira solitamente attorno agli ottanta o novanta anni. Questo significa che Jonathan ha vissuto circa un secolo in più rispetto al limite superiore tipico della sua specie. Trattandosi di un esemplare iconico e protetto, i ricercatori non hanno potuto prelevare campioni di sangue per timore di infezioni o stress. Hanno optato quindi per tamponi buccali e campioni di saliva, riuscendo comunque a mappare il DNA con una copertura profonda e a ricostruire una sequenza di riferimento accurata e completa.

Dalle analisi è emerso che Jonathan possiede varianti genetiche uniche distribuite in quasi tutte le vie dell’invecchiamento. A differenza di altri animali longevi noti alla scienza, come la balena della Groenlandia o l’alce e il ratto talpa nudo, Jonathan mostra adattamenti specifici che combinano la riparazione del DNA, la regolazione dell’insulina e una straordinaria stabilità epigenetica.

Il ruolo chiave della metilazione e dell’entropia

Il segreto della longevità di Jonathan non risiede soltanto nei suoi geni, ma anche nel modo in cui questi vengono regolati nel corso degli anni attraverso l’epigenetica. Nel corso della vita, il DNA subisce modifiche chimiche, tra cui la metilazione, che controllano l’attivazione o la disattivazione dei geni. In molti organismi, l’invecchiamento porta a una perdita globale di metilazione e a un aumento della cosiddetta entropia di metilazione, un parametro che misura il disordine e la casualità del panorama epigenetico.

Tuttavia, confrontando Jonathan con esemplari più giovani, i ricercatori hanno scoperto un dettaglio sorprendente. Nonostante un fisiologico calo globale della metilazione dovuto all’età avanzata, le regioni promotrici di geni fondamentali presentano livelli eccezionalmente bassi di entropia. In particolare, i promotori dei geni associati alla funzione mitocondriale e al metabolismo dell’RNA mantengono un ordine e una stabilità paragonabili a quelli di animali molto più giovani. Questa fedeltà di trascrizione protegge le cellule dai danni ossidativi e previene il degrado funzionale tipico dell’età avanzata.

Verso un modello biologico di longevità cellulare

I dati raccolti suggeriscono l’esistenza di un circolo virtuoso all’interno dell’organismo di Jonathan. Una produzione energetica efficiente da parte dei mitocondri garantisce la stabilità dell’ATP necessario per alimentare i sistemi di riparazione nucleare. A loro volta, efficienti meccanismi di riparazione del DNA preservano l’integrità dei promotori genici, mantenendo bassa l’entropia epigenetica e riducendo il rumore trascrizionale.

Inoltre, il genoma di Jonathan mostra l’espansione di famiglie geniche chiave come LAMTOR4, coinvolta nella regolazione della via mTORC1, e un numero elevato di copie del gene Prf1, che produce la perforina, una proteina essenziale per l’attività delle cellule immunitarie nel controllo e nella rimozione delle cellule senescenti e tumorali.

Approfondimenti tecnici dettagliati

1. Metodologie di sequenziamento e assemblaggio del genoma

A causa dell’impossibilità di prelevare campioni di sangue da Jonathan per preservarne la salute, il DNA genomico di alta qualità è stato ricavato da Tank, un esemplare di trentasei anni, utilizzando il kit MagAttract HMW (Qiagen). Il genoma di riferimento di Tank è stato assemblato combinando letture lunghe PacBio HiFi e letture di prossimità Omni-C, ottenendo 211 scaffold per una dimensione complessiva pari a circa $2.41$ gigabases. Per quanto riguarda Jonathan, le letture corte da $2 \times 150$ base pairs ottenute tramite piattaforma Illumina (NovaSeq 6000) sono state allineate contro il genoma di riferimento di Tank con un tasso di allineamento del novantatré percento e una copertura media pari a $60\times$. Sono state chiamate $6.9$ milioni di varianti di alta qualità tramite il toolkit GATK, generando un genoma di consenso specifico per Jonathan.

2. Analisi filogenetica e biogeografia evolutiva

Per definire l’origine geografica di Jonathan, le varianti genomiche sono state analizzate insieme a quelle di altri cheloni, utilizzando come riferimento l’esemplare Hermania dello zoo di Zurigo. L’analisi delle componenti principali (PCA) e il clustering non supervisionato basato su algoritmi Bayesiani con approccio di mescolamento ($K=4$ e $K=5$) hanno posizionato Jonathan in una regione distinta rispetto a Tank e ad altri individui provenienti da Grande Terre. Questo dato avvalora l’ipotesi che Jonathan possa provenire da un’area geografica differente dell’atollo di Aldabra o delle Seychelles granitiche, rispecchiando una diversità genetica preservata nel tempo.

3. Identificazione dei geni positivamente selezionati (PSGs)

Per individuare i geni sottoposti a pressione evolutiva positiva, i ricercatori hanno calcolato il rapporto tra mutazioni non sinonime e sinonime ($dN/dS > 1$) utilizzando il pacchetto PAML (codeml) e confrontando il set di geni di Jonathan con un background di dieci specie vertebrate. Sono stati identificati $770$ geni significativamente selezionati ($P < 0.05$). Le analisi funzionali tramite Gene Ontology (GO) e il database STRING hanno evidenziato cluster arricchiti in:

• Riparazione del DNA: presenza di varianti in POLE2, BARD1, RAD23A, XRCC5 e POLQ.

• Funzione mitocondriale e metabolismo: coinvolgimento di ALDH2, HIGD1A e GSTZ1.

• Regolazione dell’insulina e telomeri: geni come POT1, RFC1 e LSM11.

4. Metiloma, regioni differenzialmente metilate (DMRs) e PRC2

Il sequenziamento bisolfitico dell’intero genoma (WGBS) è stato condotto sui campioni di mucosa buccale di Jonathan, di un esemplare giovane di cinque anni (Hatchling), di un subadulto di dodici anni (Smalls) e di due adulti maturi (Toka e Poka). Sono state identificate $67,091$ regioni differenzialmente metilate (DMRs) tra Jonathan e l’esemplare giovane, di cui il novantanove percento localizzato in regioni intergeniche e introniche. Le poche regioni ipermetilate in Jonathan (coinvolgenti $218$ geni) risultano fortemente arricchite per i bersagli del complesso repressivo Polycomb 2 (PRC2), inclusi i fattori di trascrizione LHX8, GATA4 e RUNX1, un meccanismo noto per regolare la plasticità delle cellule staminali nei mammiferi e prevenire il declino tissutale.

5. Entropia di metilazione (ME) e stabilità dei promotori

L’entropia di metilazione globale è stata calcolata mediante il software Metheor. I risultati confermano una correlazione positiva significativa tra l’età degli esemplari e l’aumento dell’entropia genomica ($P = 0.01787$, $R^2 = 0.9821$). Tuttavia, analizzando $2,895$ promotori genici con profondità di lettura minima pari a $10\times$ in tutti e cinque gli esemplari, i ricercatori hanno isolato un sottoinsieme di $272$ promotori in cui Jonathan, Hatchling e Smalls mantengono valori di entropia marcatamente inferiori rispetto agli esemplari più anziani Toka e Poka. L’analisi ontologica di questo gruppo di geni ha rivelato una netta rappresentazione di componenti strutturali mitocondriali, inclusi i complessi della catena di trasporto degli elettroni (complesso I e complesso IV) e i complessi di organizzazione delle criste (MICOS, CHCHD3), confermando che la preservazione di basse entropie nei promotori mitocondriali costituisce il pilastro molecolare della longevità eccezionale di Jonathan.

Traduzione abstract. La disponibilità dello studio completo, in accesso libero o riservato, è verificabile tramite il link del DOI nel box sotto se disponibile.

Abstract

Le tartarughe giganti di Aldabra (Aldabrachelys gigantea) sono eccezionalmente longeve. Abbiamo sequenziato il genoma e il metiloma di Jonathan, un esemplare di Aldabra di 194 anni, per esplorare le basi molecolari della sua longevità. Rispetto ad altre tartarughe giganti (A. gigantea e Chelonoidis abingdonii), Jonathan presenta varianti geniche uniche nella maggior parte dei processi di invecchiamento. Inoltre, Jonathan mostra sostanziali cambiamenti nella metilazione del DNA e nell’entropia della metilazione rispetto ad altri quattro esemplari di Aldabra di età compresa tra un giovane di 5 anni e adulti più anziani. In particolare, abbiamo scoperto che le regioni a bassa entropia nel metiloma di Jonathan erano arricchite di promotori di geni coinvolti nella catena di trasporto degli elettroni mitocondriale e nel metabolismo dell’RNA. Ciò suggerisce che la trascrizione ad alta fedeltà dei geni in questi processi potrebbe essere cruciale per le specie longeve. I nostri risultati supportano un modello di invecchiamento in cui il mantenimento di una bassa entropia di metilazione nei promotori genici è associato a un’efficiente produzione di energia mitocondriale, a un’efficiente elaborazione dell’RNA e a un’efficiente riparazione genomica.

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