Nel percorso sui Firmicutes, la sporulazione è già comparsa come una delle trasformazioni cellulari più articolate. Qui la domanda cambia: che cosa ci dicono i geni condivisi da Bacillus e dai clostridi sulla storia di questo programma? Il confronto non restituisce una semplice copia conservata nel tempo. Indica una discendenza antica, accompagnata da ripetuti cambiamenti nei circuiti che avviano e regolano la formazione della spora.
Le genealogie dei geni puntano a un'origine antica
Un programma evolutivo può essere ricostruito confrontando la genealogia dei suoi geni con quella degli organismi. Se le due storie mostrano ramificazioni simili, l'ipotesi più parsimoniosa è che molti componenti siano passati dai progenitori ai discendenti. La concordanza non prova da sola ogni passaggio ancestrale, ma rende meno necessario invocare trasferimenti indipendenti tra linee lontane.
Nel 2022 Galperin e collaboratori confrontarono gli alberi ricavati da 41 proteine del nucleo sporulativo con quelli costruiti da proteine ribosomiali per 76 specie sporulanti. Le topologie risultarono largamente congruenti: le proteine sporulative di organismi della stessa famiglia tendevano a raggrupparsi insieme anche nell'albero dei geni. Lo studio interpreta questo accordo come sostegno a un'origine antica e a una trasmissione prevalentemente verticale dei geni del programma.
Il risultato riguarda un campione, non un antenato osservato direttamente. Gli autori analizzarono 180 genomi distribuiti in 160 generi, ma per molti generi era disponibile un solo rappresentante. La conclusione più prudente è quindi che l'ipotesi di un programma sporulativo presente in una linea ancestrale dei Firmicutes è ben sostenuta dai confronti disponibili; la data e i dettagli di quella fase profonda restano incerti.
L'innesco cambia architettura
Il confronto tra gli organismi modello rivela una differenza concreta già all'inizio del programma. In Bacillus subtilis, il segnale raggiunge il regolatore Spo0A attraverso un fosforelay: il gruppo fosfato passa per più proteine prima di attivare il regolatore. In Clostridium acetobutylicum, diverse chinasi possono invece trasferire il fosfato direttamente a Spo0A.
Le prime descrizioni del circuito diretto nei clostridi avevano favorito l'idea che il fosforelay fosse un'aggiunta evolutiva comparsa più tardi nei Bacilli. Davidson e colleghi misero alla prova questa ricostruzione confrontando 84 genomi. Trovarono componenti di fosforelay in numerose linee di Clostridia e verificarono sperimentalmente un circuito funzionante in Desulfotomaculum acetoxidans.
La distribuzione discontinua dei circuiti diretti sostiene un modello diverso: il progenitore comune potrebbe aver usato un fosforelay, mentre più linee avrebbero semplificato o riorganizzato il passaggio del segnale verso Spo0A. È una ricostruzione filogenetica, non una registrazione del passato; mostra però perché non si possa descrivere tutti i Clostridia come dotati di un unico circuito “semplice” opposto a quello dei Bacilli.
Componenti conservati, relazioni riorganizzate
La conservazione di regolatori non implica che essi agiscano sempre nello stesso ordine o con la stessa funzione. I fattori sigma sporulativi, tra cui σF, σE, σG e σK, sono riconoscibili in molte linee, ma i collegamenti tra loro variano. Il modello studiato in B. subtilis è dunque una base di confronto, non una sequenza da attribuire automaticamente a ogni specie sporulante.
Un esempio sperimentale viene da Clostridioides difficile, spesso indicato nella letteratura precedente come Clostridium difficile. Pishdadian, Fimlaid e Shen usarono mutanti e analisi dell'RNA per studiare SpoIIID e σK. Nella loro analisi σK risultava attiva dopo la traduzione, mentre SpoIIID contribuiva soprattutto all'espressione di sigK e influenzava anche caratteristiche del rivestimento della spora. La relazione tra questi regolatori non coincide quindi in ogni dettaglio con quella definita nel modello di Bacillus.
Il caso non rappresenta tutti i clostridi. Serve a mostrare una regola più generale dell'evoluzione dei circuiti: una linea può conservare gli attori principali e cambiarne tempi, dipendenze e interazioni. Le somiglianze riflettono una storia condivisa; le differenze raccontano i successivi adattamenti del programma.
Le perdite fanno parte della storia
La sporulazione non è rimasta intatta in tutte le discendenze. Nell'analisi del 2022 molte linee non sporulanti avevano perso numerosi geni associati al programma. Anche tra organismi che formano spore, alcuni gruppi mostravano repertori ridotti rispetto a quelli descritti nei Bacilli modello. Il quadro combina quindi conservazione di una base evolutiva e perdita o riorganizzazione di componenti in rami specifici.
Per interpretare questi genomi, la presenza di un singolo regolatore non basta. Nel campione dello studio, spo0A compariva in tutti i 76 sporulanti noti, ma anche in 40 organismi classificati come non sporulanti. Il gene è parte importante del circuito, ma da solo non certifica che la cellula possa completare l'intero programma. Occorre considerare l'insieme dei geni, la loro funzione e le osservazioni sperimentali.
Una ricostruzione, non una scala evolutiva
Le evidenze disponibili sostengono una storia a due livelli: un'origine profonda condivisa per molti componenti sporulativi e una notevole flessibilità nei modi in cui le linee attuali li regolano. Le differenze tra Bacilli e Clostridia non indicano due invenzioni indipendenti né una successione da un sistema primitivo a uno superiore. Rappresentano circuiti derivati da una storia comune, poi modificati attraverso cambiamenti di specificità, perdite e nuove connessioni.
Restano aperte la datazione dell'antenato sporulante, la ricostruzione dei circuiti nelle linee poco campionate e la distinzione fra perdita effettiva e mancata osservazione della capacità. Per rispondere serviranno più genomi collegati a prove sperimentali. È questo confronto, tra genealogie molecolari e comportamento osservato, che può trasformare una mappa dei geni in una ricostruzione evolutiva più precisa.