Ginandromorfismo

Quando maschi e femmine si fondono insieme 

Avreste mai pensato di poter nascere metà maschi e metà femmine?  No, non è un film di supereroi dove c’è il solito scienziato pazzo che fa esperimenti illegali su persone, questa volta il ruolo di scienziato pazzo è interpretato dalla Natura. Farfalle dai colori sgargianti, api che attuano comportamenti misti tra quelli femminili e maschili, gamberi che “decidono” il sesso in base a quanta luce è presente dopo la copula e tante altre curiosità dovute al fenomeno del ginandromorfismo. 

Cellula questa sconosciuta

Facciamo un piccolo pit-stop per parlare delle cellule, quelle minuscole masse gelatinose che formano gli organismi, come noi scimmioni. Le cellule più arcaiche sono quelle procariotiche, tipiche di batteri ed archeobatteri. Noi, insieme a piante e funghi, siamo costituiti da cellule eucariotiche. Le differenze di nostro interesse per comprendere come sia possibile che un individuo possa presentare tratti maschili e femminili sono le seguenti: le cellule batteriche si riproducono per scissione binaria, ovvero si clonano mentre le nostre cellule utilizzano due metodi molto precisi per riprodursi, mitosi e meiosi, anche se a volte possono verificarsi degli errori, aumentando le stranezze che possiamo ammirare nel mondo animale. Purtroppo questi errori possono essere letali per l’organismo o produrre effetti alquanto spiacevoli ma per fortuna qui non parleremo di malattie bensì di caratteri “estetici” di farfalle ed api. 

Cromosomi: esperti in divorzi

Quindi come è formato il DNA che risiede nel nucleo della cellula? Avendo una dimensione notevole, il DNA viene ripiegato su se stesso e condensato in strutture chiamate cromosomi. Ci sono due tipi di cromosomi, quelli omologhi e quelli sessuali. Nella nostra specie sono presenti 46 cromosomi (23 dal padre e 23 dalla madre), di cui 2 sono sessuali (X e Y), e gli altri sono detti autosomi poiché non influenzano la caratterizzazione del sesso negli individui. La determinazione del sesso dipende dall’accoppiamento dei cromosomi sessuali e nello specifico se due X vanno d’accordo allora si formerà una femmina (XX), mentre se un cromosoma X decide di unirsi a Y si formerà un maschio (XY). Secondo questo meccanismo chiameremo il maschio come sesso eterocromatico poiché possiede due cromosomi sessuali differenti. Come sempre accade in natura ci sono delle eccezioni, ad esempio in tanti rettili e crostacei il sesso degli individui dipende dalla temperatura al momento della schiusa delle uova o dal fotoperiodo a cui è esposta la femmina dopo l’accoppiamento (in alcuni gamberi). E per i lepidotteri? Anche per loro il sesso viene determinato dall’accoppiamento di due cromosomi sessuali, solo che abbiamo voluto dargli nomi diversi (Z e W). Qui il sesso eterocromatico, quindi ZW, è la femmina mentre nella nostra specie lo abbiamo visto essere correlato al sesso maschile (XY). Vi domanderete perché i cromosomi sono esperti di divorzi se finora ho parlato di accoppiamenti. Si sa che tra le relazioni di coppia le cose non funzionano sempre bene e qualche volta uno dei due cromosomi “decide” di andarsene o di aggiungersi ad una coppia già formata. A quanto pare le coppie allargate non le abbiamo inventate noi. 

Mitosi e Meiosi

Ogni cellula nel corso della sua vita va incontro a varie fasi ed una di queste è la mitosi. Il ruolo di questo meccanismo cellulare è quello di dividere la cellula e, attraverso numerosi step, formarne un’altra identica. La meiosi invece è il “motore” della variabilità che osserviamo tra gli organismi viventi grazie al famoso crossing-over. In questa fase i cromosomi omologhi (identici e autosomi) si scambiano alcune parti di essi e alla fine del processo si avranno 4 cellule aploidi (con un solo corredo cromosomico), ognuna diversa dall’altra. Questi due meccanismi sono alla base della vita cellulare ed influiscono sui risultati che vedremo più avanti. Prima però bisogna chiarire i concetti di genotipo e fenotipo. Il primo è formato da tutti i geni che compongono il DNA, mentre il secondo è l’espressione dei geni sull’aspetto esteriore degli individui. Qualche esempio: a) XX (genotipo) che risulta in una femmina (fenotipo), b) ZW (genotipo) nei lepidotteri dà luogo alla femmina (fenotipo). Sarebbe bello se fosse sempre cosi lineare e invece l’evoluzione ci regala sempre qualche imprevisto.

Ginandromorfismo 

Quando un cromosoma si perde per strada

In molti insetti la determinazione del sesso dipende dal rapporto di cromosomi sessuali (Z o X) rispetto a quelli autosomatici. La perdita del cromosoma sessuale X durante la prima divisione cellulare (mitosi) comporta un individuo con 50% di tessuti maschili e 50% femminili. Siccome avvengono due divisioni cellulari durante la meiosi (ne abbiamo parlato qualche riga fa), più avanti viene perso il cromosoma X e minore sarà la quantità di tessuti maschili presenti nell’individuo. Questo fenomeno è stato visto e studiato nella famosissima Drosophila melanogaster, il moscerino della frutta che in questo periodo infesta le nostre case cibandosi di frutta o verdura marcescente.

Spermatozoi in eccesso

Normalmente durante la meiosi avviene la separazione dei cromosomi sessuali ZW e uno dei due viene espulso dalla cellula. A volte però il “cromosoma prodigo” ritorna alla base formando una cellula uovo binucleata. In questa situazione entrambi i nuclei vengono fecondati dagli spermatozoi (i quali contengono il cromosoma Z) dando vita ad una cellula con “forti dubbi” sulla sua sessualità. Il ritorno del “Figliol prodigo” determina un fenotipo perfettamente bilaterale nelle ali di Morpho helenor, dove i tratti maschili e femminili son ben definiti. Anche in Apis mellifera avviene lo stesso fenomeno seppure la determinazione del sesso è differente. Infatti nella società delle raccoglitrici di polline più famose al mondo, le cellule uovo fecondate (2n) danno vita alle femmine mentre da quelle non fecondate (n) nasceranno i fuchi. Può capitare che una cellula binucleata sia fecondata da uno spermatozoo dando vita ad un’ape ginandromorfa.

Fig. 1 a) Perdita del cromosoma X e conseguente generazione di individui metà femmine e metà maschi se il processo avviene durante la prima mitosi. Se l'eliminazione di X avviene più tardi, diminuisce la proporzione di tessuti maschili.
 b) Cellula uovo con due nuclei, i quali vengono fecondati e producono individui con cellule sia ZZ (maschi) che ZW (femmine). c) Nelle api si producono individui con tessuti maschili (n) e femminili (2n) all'interno della stessa cellula.
d) Quando Wolbachia induce la femminizzazione delle vespe parassitoidi come in Drosophila (a)

Un batterio di troppo

Una sorprendente relazione tra insetti e batterio Wolbachia fa si che il sesso venga determinato direttamente dal batterio stesso. Questo è possibile perché tante specie di insetti, soprattuto imenotteri (farfalle, api, vespe e formiche), soffrono dell’infezione di questa famiglia di batteri il quale agisce sulle popolazioni degli insetti in diversi modi. All’interno delle popolazioni di Hypolimnas bolina, una farfalla del sud-est asiatico, il batterio infetta le femmine della specie ed i maschi che non possiedono una specifica regione di DNA sul cromosoma 25 muoiono prima ancora di svilupparsi. Questa relazione viene chiamata dagli esperti, sistema “male-killing”, poiché porta all’eliminazione dei maschi nelle popolazioni. Il processo evolutivo che ha portato alla formazione di un soppressore genetico per evitare la morte dei maschi è qualcosa di davvero incredibile e unico, infatti tante altre specie ancora non sono riuscite ad adattarsi cosi rapidamente come ha fatto questa farfalla. Bombix mori, Samia cynthia, Eurema mandarina sono solo alcune di quelle che subiscono il processo di “femminizzazione”, causato dalla presenza di una regione batterica chiamata wFem.

Fig. 2 Femmine C (sane) daranno luogo a maschi e femmine in proporzioni identiche. Femmine CF (infettate) produrranno solo individui Z0 femmine (per essere maschio bisogna avere entrambi i cromosomi Z). Le femmine CF se trattate con antibiotico a livello larvale daranno origine ad individuo intersessualità Z0, mentre se trattate con antibiotico in fase adulta prima dell'accoppiamento daranno origine a maschi ZZ funzionali.

Uno studio recentemente condotto su E. mandarina ha evidenziato il ruolo di Wolbachia nell’eliminazione del cromosoma Z di origine materna durante la meiosi e della conversione di Z0 da genotipo che dava come risultato un maschio alla formazione di sole femmine. I maschi Z0 originatesi da femmine trattate con l’antibiotico, purtroppo, hanno un tasso di sopravvivenza molto basso, poiché metà dei geni necessari al loro sviluppo sono andati persi. Molto probabilmente il cromosoma W agisce come agente “femminizzante” su una parte “mascolinizzante” del cromosoma Z, causando la morte dei maschi dal fenotipo femminile ma con genotipo perfettamente maschile (ZZ). Questa interazione tra regioni di due cromosomi viene detta epistasi. Probabilmente wFem nelle femmine Z0 compensa l’assenza del cromosoma W, il quale determina il sesso femminile. 

Fig.3 Esemplare di Samia cynthia, il bombice dell'ailanto, entrambi specie invasive in Italia

É davvero affascinante osservare come un batterio possa modificare il rapporto maschi e femmine in una popolazione alterando la determinazione del sesso nei cromosomi sessuali senza però eliminare completamente i maschi dalla popolazione poiché essi sono indispensabili (fertilizzazione) sia per il batterio che per la diversamente fortunata specie. 

Purtroppo ho dovuto riassumere una grande quantità di nozioni ma per chi volesse approfondire questa affascinante tematica suggerisco di dare una lettura a questi articoli: 

1. Satoko Narita et. al (2010), Gynandromorphs and intersexes: potential to understand the mechanism of sex determination in arthropods, Terrestrial Arthropod Reviews 3 63–96
2. Robert Blanchard (1988), Hybridization between two species of swallowtails, meiosis mechanism and the genesis of gynandromorphs, Journal of the Lepidopterists' Society 42(2), 94-102 
3. Daisuke Kageyama (2017), Feminizing Wolbachia endosymbiont disrupts maternal sex chromosome inheritance in a butterfly species, Evolution Letters 1-5: 232–244