Da dove vengono le nostre membra? — ScienceDaily

I ricercatori descrivono il loro studio in un articolo pubblicato oggi sulla rivista Natura.

“Questo è diventato un argomento oggetto di controversie, ma è davvero una domanda fondamentale nella biologia evolutiva: da dove vengono i nostri arti?” afferma l’autore co-corrispondente Christian Mosimann, PhD, professore associato e Johnson Chair presso il Dipartimento di Pediatria, Sezione di Biologia dello sviluppo presso la CU School of Medicine.

Quella domanda: da dove vengono le nostre membra? — è stato oggetto di dibattito per più di 100 anni. Nel 1878, lo scienziato tedesco Carl Gegenbaur propose che le pinne accoppiate derivassero da una fonte chiamata arco branchiale, che sono anse ossee presenti nei pesci per sostenere le loro branchie. Altri scienziati favoriscono l’ipotesi della piega laterale delle pinne, concludendo che le pinne laterali sulla parte superiore e inferiore del pesce sono la fonte delle pinne accoppiate.

“È un argomento di ricerca molto attivo perché è stata una sfida intellettuale per così tanto tempo”, afferma Mosimann. “Molti grandi laboratori hanno studiato i vari aspetti di come i nostri arti si sviluppano e si sono evoluti”. Tra questi laboratori ci sono i colleghi e coautori del Dr. Mosimann, Tom Carney, PhD, e il suo team presso la Lee Kong Chian School of Medicine della Nanyang Technological University di Singapore.

Inseguendo le cellule dispari

Per Mosimann, l’indagine sulla provenienza degli arti è una propaggine di altre ricerche condotte dal suo laboratorio presso il CU Anschutz Medical Campus. Nel suo laboratorio, il suo team utilizza il pesce zebra come modello per comprendere lo sviluppo dalle cellule agli organi. Lui e il suo team studiano come le cellule decidono il loro destino, cercando spiegazioni su come lo sviluppo può andare storto portando ad anomalie congenite, in particolare malattie cardiovascolari e del tessuto connettivo.

Lungo la strada, Mosimann e il suo team di laboratorio hanno osservato come un tipo di cellula peculiare con caratteristiche di cellule del tessuto connettivo, i cosiddetti fibroblasti che condividono un’origine evolutiva con il sistema cardiovascolare, è migrato in specifiche pinne in via di sviluppo del pesce zebra. Si scopre che queste cellule possono supportare una connessione tra le teorie concorrenti dell’evoluzione dell’appendice accoppiata.

“Abbiamo sempre saputo che queste cellule erano strane”, dice. “C’erano queste cellule dall’aspetto di fibroblasti che sono andate nella cosiddetta pinna ventrale, la pinna sul ventre del pesce zebra in via di sviluppo. Cellule di fibroblasti simili non sono strisciate in nessun’altra pinna tranne la pinna pettorale, che è l’equivalente della nostra braccia. Quindi abbiamo continuato a notare questi peculiari fibroblasti e non abbiamo mai potuto dare un senso a cosa fossero per molti anni”.

Il laboratorio Mosimann ha sviluppato diverse tecniche per tracciare i destini delle cellule durante lo sviluppo nel perseguimento del loro argomento principale, che è una migliore comprensione di come lo strato di cellule embrionali, chiamato mesoderma della piastra laterale, contribuisce a diversi organi. Il mesoderma della piastra laterale è l’origine dello sviluppo del cuore, dei vasi sanguigni, dei reni, del tessuto connettivo e delle parti principali degli arti.

Le pinne accoppiate che formano l’equivalente delle nostre braccia e gambe sono seminate da cellule del mesoderma della piastra laterale, mentre altre pinne no. Capire come queste particolari pinne siano diventate più simili ad arti è stato al centro di un dibattito di lunga data.

Sviluppo di nuove teorie

Hannah Moran, che sta portando avanti il ​​suo dottorato di ricerca nel programma di biologia cellulare, cellule staminali e sviluppo nel laboratorio Mosimann, ha adattato un metodo per tracciare le cellule del mesoderma della piastra laterale che contribuiscono allo sviluppo del cuore in modo che i ricercatori possano tracciare i peculiari fibroblasti legati allo sviluppo degli arti.

“Il mio progetto di ricerca principale si concentra sullo sviluppo del cuore piuttosto che sullo sviluppo degli arti”, dice Moran, “ma c’era una tecnica genetica che avevo adattato per mappare le prime cellule cardiache, e quindi siamo stati in grado di implementarla nella mappatura dove il da cui provenivano le misteriose cellule della pinna ventrale. E si è scoperto che provengono anche dal mesoderma della placca laterale”.

Questa scoperta cruciale fornisce un nuovo pezzo del puzzle al quadro generale di come abbiamo evoluto le nostre braccia e gambe. Prove crescenti supportano un’ipotesi di evoluzione dell’appendice accoppiata chiamata teoria della doppia origine.

“I nostri dati si adattano perfettamente a questa teoria combinata, ma possono anche reggersi da soli con la teoria delle pinne laterali”, afferma Robert Lalonde, PhD, borsista postdottorato nel laboratorio Mosimann. “Mentre le appendici accoppiate derivano dal mesoderma della placca laterale, ciò non esclude un’antica connessione con le pinne laterali spaiate”.

Osservando i meccanismi dello sviluppo embrionale e confrontando l’anatomia delle specie esistenti, gruppi di ricerca come quello di Mosimann possono sviluppare teorie su come le strutture embrionali possono essersi evolute o modificate nel tempo.

“L’embrione ha caratteristiche che sono ancora resti antichi che non hanno ancora perso, il che fornisce informazioni su come si sono evoluti gli animali”, afferma Mosimann. “Possiamo usare l’embrione per saperne di più sulle caratteristiche che persistono solo oggi, permettendoci di viaggiare indietro nel tempo”, dice Mosimann. “Vediamo che il corpo ha una propensione fondamentale e intrinseca a formare strutture bilaterali a due facce. Il nostro studio fornisce un pezzo del puzzle molecolare e genetico per risolvere il modo in cui siamo arrivati ​​ad avere gli arti. Si aggiunge a questa discussione di oltre 100 anni, ma ora abbiamo intuizioni molecolari”.

Collaborazione internazionale

Le collaborazioni con i colleghi nei laboratori in tutto il paese e in tutto il mondo sono un’altra parte importante dello studio. Questi scienziati apportano ulteriori specializzazioni e contribuiscono con dati provenienti da altri modelli, tra cui il pesce spatola, le rane artigliate africane e una variante del pesce rosso dalla coda divisa chiamato Ranchu, per studiare lo sviluppo embrionale.

“Ci sono laboratori su questo su questo documento che lavorano su malattie muscoloscheletriche, tossicologia, fibrosi. Lavoriamo su anomalie cardiovascolari, congenite, anomalie cardiopolmonari, sviluppo degli arti, tutti legati al nostro interesse per il mesoderma della placca laterale”, afferma Mosimann. “E poi insieme, puoi fare scoperte così fondamentali. Ed è qui che la scienza del team ci consente di fare qualcosa che è più della semplice somma delle parti.”

Nonostante tutto il notevole lavoro e il significato dello studio, il team Mosimann riconosce che si tratta di un passo fondamentale, ma non della fine del viaggio nel dibattito sulle appendici accoppiate.

“Non direi che abbiamo risolto la questione, o addirittura smentito nessuna delle teorie esistenti”, afferma Lalonde. “Piuttosto, abbiamo fornito dati significativi per rispondere a un’importante domanda evolutiva”.