Microbiota riproduttivo: guida accoppiamento ed evoluzione dell'ospite

La primavera, tempo d’accoppiamento per eccellenza, quest’anno sembra scivolarci tra le dita. Ma la rilevanza ontologica di tale complesso e misterioso scambio di slanci ormonali e risposte funzionali resta pur sempre la major mission di ogni vivente. Quel che c’è di nuovo sotto il sole, tuttavia, è che differenziamento sessuale, selezione e competizione per l’accoppiamento hanno anche un’origine microbica. Ecco a voi il microbiota riproduttivo.

Copilota microbiota riproduttivo, a rapporto!

Tutti gli organismi pluricellulari ospitano comunità microbiche su di sé o dentro di sé, quindi, inevitabilmente, altra vita condizionerà la biologia degli ospiti. Nel bene o nel male. La maggior parte delle ricerche focalizza gli sforzi interpretativi su differenti tipi di microbiota: orale, cutaneo ed enterico. Una ricognizione sulle evidenze finora raccolte su questo nuovo “copilota” dell’evoluzione animale e vegetale è necessaria.

Animali e piante vivono e si evolvono in un mondo dominato da microbi, che li abitano determinando persino il loro comportamento. E molto di più.

Secondo Eugene Rosenberg ed il suo gruppo di ricerca, infatti, gli organismi pluricellulari non dovrebbero più essere considerati individui, nel senso classico del termine, ma olobionti. Ogni organismo vivente, animale o vegetale che sia, è un olobionte cioè un ospite con i suoi inquilini microbici e virali. Un tutt’uno. I simbionti microbici possono essere trasmessi in linea verticale madre-figlio per le vie più disparate: eredità citoplasmatica, coprofagia, contatto diretto durante e dopo la nascita oppure attraverso l’ambiente. Un gran numero di studi hanno dimostrato che i simbionti contribuiscono all’anatomia, fisiologia, sviluppo, immunità innata ed acquisita, comportamento e variazioni genetiche. Il microbioma, così, ovvero l’insieme dei codici genetici del microbiota nella sua interezza, può fondersi con il patrimonio dell’ospite, caratterizzandone il fenotipo e facendo del suo iniziale genoma singolo un ologenoma complesso.

Le vie del microbiota sono infinite

In senso lato, il microbiota riproduttivo si può descrivere funzionalmente come una notevole comunità microbica composta da batteri, virus, alghe unicellulari, protozoi e funghi, che occupano strutture, organi, fluidi o tessuti di un ospite, purchè in contatto con gameti e cellule germinali in genere. Il contatto tra le zone di stanziamento microbico ed i tratti riproduttivi dell’ospite, mediante accoppiamento, impollinazione o deposizione di uova, consente ai microbi una migrazione ed una conquista di nuovi territori di sopravvivenza, nonchè fair trades molecolari futuri.

Una sfida tuttora aperta, nello studio dei vari tipi di microbiota riproduttivo è rappresentata dalla perfetta identificazione delle comunità microbiche. A causa, infatti, della grande promiscuità microbiologica non è certo quali ceppi siano nativi in determinate specie e quali solo transienti, casuali, o determinanti grazie ad una qualche risorsa ambientale.

Il microbiota riproduttivo è un insospettabile “puparo”

La selezione sessuale è il motore dell’evoluzione nelle strategie riproduttive, soprattutto nei maschi. In ogni specie. La centralità del ruolo dei microrganismi nel comportamento riproduttivo dell’ospite è il dogma dello storico studio condotto da Hamilton e Zuk. Essi sostenevano che ornamenti sessuali (caratteri sessuali secondari) particolarmente elaborati e vistosi segnalassero maggiore resistenza ai parassiti all’attenzione riproduttiva delle femmine. Modelli sperimentali successivi hanno poi suggerito che le conseguenti scelte pre- e post-copulatorie favorissero le femmine che avevano evitato a monte di incorrere in infezioni parassitarie, grazie proprio ad opzioni sessuali letteralmente “ben oculate”.

Nei Vertebrati, però, i segnali sessuali sono mediati anche dal testosterone, ormone in grado di controllare l’espressione di vari ornamenti sessuali, oltre al classico comportamento pro-accoppiamento, in parte sopprimendo il sistema immunitario. Così, ugualmente, tale espressione morfologica può coerentemente riflettere la sussistenza di infezioni microbiche nel tratto riproduttivo oppure, al contrario, dimostrare l’abilità del maschio di combattere patogeni delle vie genitali.

Testosterone e biodiversità batterica

Eppure, simili evidenze sono nominalmente contraddette da altri esempi come quello del passero dal collare fulvo (Fig.1), i cui livelli plasmatici di testosterone sono positivamente associati ad una elevata presenza e diversità batterica dell’apparato genito-escretore. Camilo Escallòn e colleghi hanno ipotizzato che maschi con elevate concentrazioni di testosterone avessero maggiori chance di essere infettati da batteri trasmessi sessualmente. Questo perchè i maschi sono risultati ricchi di biodiversità batterica a livello cloacale.

Passero dal collare fulvo il cui microbiota riproduttivo dipende dai valori plasmatici di testosterone. — *Figura 1- Zonotrichia capensis o passero dal collare fulvo*

Per verificare tale postulato, tuttavia, i ricercatori hanno proceduto alla raccolta di tamponi cloacali, provvedendo, poi, a quantificarne la diversità batterica con metodi molecolari di amplificazione genica dell’rRNA 16S. I risultati portarono a correlare positivamente la concentrazione di testosterone con la diversità filogenetica batterica all’interno degli ospiti alati. Considerando, inoltre, i taxa potenzialmente patogeni per questa specie, i ricercatori riscontrarono abbondanza di Chlamydiae, parassiti intracellulari obbligati, correlati così all’ipertestosterolemia. Due spiegazioni ne emersero. E l’una non escludeva l’altra. Il testosterone, innanzitutto, influenza i comportamenti che conducono all’incremento dei contatti sessuali e quindi all’esposizione e all’acquisizione di batteri addizionali filogeneticamente diversi. Contestualmente il testosterone, si è detto, deprime il sistema immunitario, agevolando la colonizzazione batterica. Tuttavia, l’incremento dell’esposizione a patogeni sessualmente trasmissibili può considerarsi anche come il costo di mantenimento di un così congruo tasso ormonale.

In altri casi, addirittura, le infezioni sessualmente trasmessibili sono apparse accrescere l’attrattiva esercitata dai maschi sulle femmine. Questo peculiare risvolto della selezione sessuale può riflettere, in realtà, una subdola strategia del microbiota riproduttivo, in grado di manipolare sottilmente il comportamento del maschio pur di incrementare la propria diffusione infettiva. Questo, almeno è stato il caso del Toxoplasma gondii in ratti, secondo S.A.H. Dass e colleghi.

Anche il destino della specie umana è un groviglio di fili alla mercè dei microbi?

Nei mammiferi, come negli esseri umani, la composizione del microbiota riproduttivo varia a seconda del tratto genitale in questione.

Il microbiota vaginale umano, per esempio, mostra una predominanza del genere Lactobacillus, mentre in altri mammiferi i lactobacilli a stento raggiungono l’1% della flora totale. I ricercatori hanno avanzato molte ipotesi su questa distanza all’interno della stessa classe animale, che abbracciano la differente fisiologia riproduttiva, i rischi patologici e dieta. Di fatto, il microbiota femminile è altamente dinamico: nei Primati, per esempio, si modifica durante tutte le fasi evolutive, dall’infanzia alla gestazione, ma non manca neppure una variabilità intra- ed inter-individuale.

Nella placenta dei mammiferi, la presenza di microbi in gestazione è, da sempre, associato ad infezione, infiammazione e complicazioni gravidiche. Tuttavia, sempre più si attesta la costante presenza microbiotico-riproduttiva, in grado di influenzare positivamente o negativamente i processi riproduttivi. In perfetta fisiologia, il microbiota vaginale ricco in Lactobacillus spp. è in grado di far barriera anti-adesione contro patogeni del tratto corrispondente, come la Gardnerella vaginalis. Crescono le difese immunitarie dell’ospite e sale la concentrazione di acido lattico ad attività antimicrobica. Nell’insieme, questi effetti limitano la crescita di batteri patogeni, le infezioni fungine e donano benefici morfologici. Le disbiosi vaginali, al contrario, sono legate a parti pre-termine, patologie infiammatorie della pelvi ed infertilità. Alterazioni del microbita vaginale sono, inoltre, concause di neoplasie ginecologiche.

Il microbiota maschile umano

Nell’uomo, diversi studi hanno fornito evidenze contraddittorie sulla relazione tra composizione del microbiota riproduttivo ed infertilità, come nel caso della Chlamydia trachomatis descritto nello studio di Adrian Eley e colleghi. L’inconsistenza sperimentale di questi dati, tuttavia, può essere imputata alle metodologie ed alla variabilità spermatica. L’impatto batterico sulla funzionalità spermatica risulta evidente nelle interazioni spermio-batteriche. Per esempio, l’adesione di E. coli alle cellule spermatiche innesca agglutinazione e distruzione delle membrane plasmatiche di spermiociti, con conseguenze nefaste per le loro ultrastrutture e per la loro motilità.

Il rilascio o l’attiva secrezione di proteine di membrana batteriche (porine o LPL) minacciano le funzioni spermatiche per inibizione della funzione macrofagica, mediante sovrapproduzione di radicali tossici dell’ossigeno (ROS ovvero radicali liberi). In aggiunta, l’elevata concentrazione batterica a livello locale richiama anche leucociti che provvedono a liberare altri ROS, aggravando l’effetto controproducente per l’ospite.

Tutto ciò fa del microbiota riproduttivo il perno della teoria ossidativa dell’infertilità maschile, a causa delle specie chimiche altamente ossidanti: i radicali liberi.

Infine, le infezioni batteriche possono stimolare la produzione di anticorpi che reagiscono anche contro le cellule spermatiche, provocandone agglutinazione ed immobilità.

Conflitto tra i sessi e microbiota riproduttivo

I costi dell’accoppiamento, in termini di trasmissione di infezioni, può indurre cambiamenti nelle strategie pro-accoppiamento. Si sviluppano, infatti, misure d’antagonismo sessuale: le femmine possono maturare resistenza all’accoppiamento, mentre i maschi cercano di mettere in piedi strategie per conseguire ugualmente l’accoppiamento. Un esempio minuto ma efficace è rappresentato dalle formiche Lasius niger, oggetto dello studio condotto da Francisco Dàvila e colleghi: gli organi spermatici di deposito favoriscono la crescita batterica, mentre la spermoteca delle femmine regine la inibisce.

La cognizione, dunque, cui si giunge per cui gli stessi microbi possano essere benefici in un sesso e dannosi nell’altro, instaura un dimorfismo sessuale dell’ospite, con meccanismi paragonabili a quelli che coinvolgono gli alleli sessuali antagonisti.

Tuttavia, anche i sistemi di accoppiamento dell’ospite possono influenzare l’ecologia e l’evoluzione del microbiota riproduttivo. La monogamia, infatti, rispetto alla poligamia, promuove somiglianze nel microbiota dei partners, in termini di ridotta diversità individuale ma estema differenziazione tra i membri della coppia.

Un microbiota riproduttivo non si nega a nessuno

Infine, l’isolamento riproduttivo tra diverse popolazioni è il passaggio cruciale per la speciazione. L’idea che parassiti e microbi possano guidare la speciazione è il focus di diversi studi, tra cui quello condotto da Karvonen, mentre altri, come Fraser, ritengono i parassiti degli omogenizzatori.

La selezione divergente parassito-mediata viene proposta in contesti di speciazione ecologica, mentre l’adattamento locale per contrastare le comunità di parassiti potrebbero favorire la speciazione. Questo, mediante meccanismi non escludenti come riduzione di vitalità e fecondità degli ibridi, ma anche pleiotropia e selezione sessuale ecologica.

In generale, l’isolamento riproduttivo sarà garantito sì da accoppiamento e fertilità, ma anche da microbi compatibili. Microrganismi con alta percentule di trasmissione saranno, invece, correlati a panmissìa, ovvero accoppiamenti casuali.

Nei moscerini della frutta Drosophila simulans, l’infezione da batteri endosimbionti Wolbachia pipientis incide sulla produzione di sperma nei maschi e può ridurre la fertilità di più del 10%. L’incompatibilità citoplasmatica unidirezionale indotta dai patogeni, combinata con l’isolamento comportamentale, contribuisce all’isolamento riproduttivo tra specie sorelle. Nelle vespe Nasonia, invece, l’incompatibilità bidirezionale può contribuire a produrre barriere riproduttive.

Così, il microbiota riproduttivo può esercitare pressione selettiva su maschi e femmine, con implicazioni critiche anche sulla differenziazione sessuale, sui sistemi di accoppiamento e su barriere riproduttive. Lo studio dell’ecologia e le sue dinamiche, da una nuova prospettiva microbiologica, sono però ancora agli albori. Restano diverse questioni irrisolte che il sequenziamento genico avanzato, affiancato da studi del comportamento dell’ospite, si propongono di appurare molto presto.