Evoluzione dell’Armatura dei Vertebrati: Come i Pesci Hanno Sviluppato le Loro Scaglie Ossee Protettive
Origine delle squame ossee nei pesci: una scoperta rivoluzionaria
Un recente studio ha rivelato che un particolare tipo di cellula staminale, la cellula del cresta neurale del tronco, è responsabile dello sviluppo delle squame ossee protettive (scuti) nei pesci. Questa scoperta svela come i nostri antenati evolutivi dal corpo morbido abbiano sviluppato un’armatura protettiva, aprendo la strada all’evoluzione di una moltitudine di specie di vertebrati.
Uno studio del Caltech ha identificato le cellule del cresta neurale del tronco come l’origine delle squame ossee protettive nei pesci, gettando luce sull’evoluzione dell’armatura dei vertebrati. Circa 350 milioni di anni fa, i tuoi antenati evolutivi – e gli antenati di tutti i vertebrati moderni – erano semplicemente animali dal corpo morbido che vivevano negli oceani. Per sopravvivere ed evolversi fino a diventare ciò che siamo oggi, questi animali avevano bisogno di acquisire una certa protezione e vantaggio sui predatori oceanici, allora dominati dai crostacei.
L’evoluzione dell’armatura dermica
L’evoluzione dell’armatura dermica, come le spine affilate trovate su un pesce gatto corazzato o le squame a forma di diamante chiamate scuti, che coprono uno storione, è stata una strategia di successo. Migliaia di specie di pesci hanno utilizzato vari modelli di armatura dermica, composti da osso e/o una sostanza chiamata dentina, un componente importante dei denti umani moderni. Rivestimenti protettivi come questi hanno aiutato i vertebrati a sopravvivere ed evolvere ulteriormente in nuovi animali e, infine, in esseri umani.
Da dove proviene questa armatura?
Ma da dove proviene questa armatura? Come hanno fatto i nostri antichi antenati subacquei a evolvere per crescere questo mantello protettivo?
Ora, utilizzando il pesce storione, un nuovo studio scopre che una specifica popolazione di cellule staminali, chiamate cellule del cresta neurale del tronco, sono responsabili dello sviluppo degli scuti ossei nei pesci. Il lavoro è stato condotto da Jan Stundl, ora ricercatore post-dottorato Marie Sklodowska-Curie nel laboratorio di Marianne Bronner, professore di biologia Edward B. Lewis e direttore dell’Istituto Beckman presso il Caltech. Un articolo che descrive la ricerca è stato pubblicato di recente sulla rivista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Il laboratorio Bronner e le cellule del cresta neurale
Il laboratorio Bronner ha da tempo interesse nello studio delle cellule del cresta neurale. Presenti in tutti i vertebrati, compresi pesci, polli e noi stessi, queste cellule diventano specializzate in base a se derivano dalla testa (craniali) o dalle regioni del midollo spinale (tronco). Sia le cellule del cresta neurale craniali che quelle del tronco migrano dai loro punti di partenza in tutto il corpo dell’animale in sviluppo, dando origine alle cellule che compongono le mascelle, il cuore e altre strutture importanti.
Lo studio sullo storione
Per studiare questo, Stundl e il team si sono rivolti al pesce storione, in particolare allo storione sterlet (Acipenser ruthenus). Gli storioni moderni, noti soprattutto per la loro produzione del caviale più costoso al mondo, hanno ancora molte delle stesse caratteristiche dei loro antenati di milioni di anni fa. Questo li rende candidati ideali per gli studi evolutivi.
Utilizzando embrioni di storione cresciuti presso l’Istituto di Ricerca sulla Cultura dei Pesci e l’Idrobiologia nella Repubblica Ceca, Stundl e il suo team hanno utilizzato un colorante fluorescente per tracciare come le cellule del cresta neurale del tronco del pesce migravano in tutto il suo corpo in sviluppo. Gli storioni iniziano a sviluppare i loro scuti ossei dopo un paio di settimane, quindi i ricercatori hanno mantenuto i pesci in crescita in un laboratorio oscurato per non disturbare il colorante fluorescente con la luce.
Risultati dello studio
Il team ha trovato cellule del cresta neurale del tronco marcate fluorescentemente nelle esatte posizioni in cui si stavano formando gli scuti ossei dello storione. Hanno poi utilizzato una tecnica diversa per evidenziare gli osteoblasti del pesce, un tipo di cellula che forma l’osso. Le firme genetiche associate alla differenziazione degli osteoblasti sono state trovate nelle cellule fluorescenti negli scuti in sviluppo del pesce, fornendo forti prove che le cellule del cresta neurale del tronco danno effettivamente origine alle cellule formanti l’osso. Combinato con i risultati del 2017 sul ruolo delle cellule del cresta neurale nella formazione dell’armatura dermica a base di dentina, il lavoro mostra che le cellule del cresta neurale del tronco sono effettivamente responsabili della formazione dell’armatura dermica ossea che ha permesso il successo evolutivo dei pesci vertebrati.
Implicazioni e prospettive future
“Lavorare con organismi non modello è complicato; gli strumenti che esistono in organismi di laboratorio standard come il topo o lo zebrafish o non funzionano o devono essere notevolmente adattati”, afferma Stundl. “Nonostante queste sfide, le informazioni provenienti da organismi non modello come lo storione ci permettono di rispondere a domande fondamentali di biologia evolutiva dello sviluppo in modo rigoroso.”
“Studiando molti animali sull’Albero della Vita, possiamo dedurre quali eventi evolutivi si sono verificati”, afferma Bronner. ”Questo è particolarmente potente se possiamo affrontare le domande evolutive da una prospettiva di biologia dello sviluppo, poiché molti cambiamenti che hanno portato a diversi tipi di cellule sono avvenuti attraverso piccole alterazioni nello sviluppo embrionale. Siamo stati molto fortunati a ricevere finanziamenti dal Centro per le Scienze Evolutive del Caltech, che ci ha aiutato a rendere possibili studi di questo tipo.”
Il Centro per le Scienze Evolutive (CES) del Caltech è un’organizzazione multi-divisionale a livello di Istituto che riconosce e supporta l’indagine sul cambiamento evolutivo nel mondo naturale attraverso forze biotiche e antropogeniche.
“L’evoluzione è un tema centrale che attraversa tutta la biologia; unifica la nostra disciplina”, afferma Joe Parker, professore assistente di biologia e ingegneria biologica, Chen Scholar e co-direttore del CES. “Il Caltech è un luogo incredibile con così tanti gruppi che perseguono problemi evolutivi in diversi contesti, compreso l’interfaccia tra evoluzione e biologia dello sviluppo, come questo studio mostra così splendidamente.”
Bronner e Parker sono membri affiliati della facoltà con l’Istituto Tianqiao e Chrissy Chen per le Neuroscienze presso il Caltech.