Uno dei processi embrionali più basilari e cruciali che si sviluppano praticamente in ogni organismo vivente è la formazione di strutture tubolari cave di vario genere. Questi tubi possono formare vasi sanguigni o un tratto digestivo e, attraverso la ramificazione e la differenziazione, organi complessi tra cui cuore, reni e ghiandole mammarie. Le anomalie in questi processi possono causare disturbi congeniti come organi disfunzionali, spostati o non simmetrici, nonché difetti di rigenerazione nei vasi sanguigni o in altri organi rigenerativi.
Nonostante la sua fondamentale importanza, i meccanismi generali della formazione del tubo cavo durante l’embriogenesi non sono ben compresi, a causa della grande diversità di strategie che gli animali utilizzano per formare strutture tubolari.
Entra nella stella marina, un’antica creatura marina il cui processo di tubulogenesi è relativamente facile da studiare e che sta diventando un organismo importante per comprendere la genetica e la meccanica della formazione del tubo. Nel numero del 9 maggio di Comunicazioni sulla naturaMargherita Perillo del Laboratorio di biologia marina (MBL) e collaboratori rivelano in dettaglio l’inizio e le prime fasi della formazione del tubo nella stella marina Patiria miniata.
“La maggior parte dei nostri organi sono tubolari, perché hanno bisogno di trasportare fluidi o gas o cibo o sangue. E organi più complessi come il cuore iniziano come un tubo e poi sviluppano strutture diverse. Quindi, la tubulogenesi è un passo fondamentale per formare tutti i nostri organi”, ha detto Perillo.
Perillo ha scelto la stella marina come organismo di ricerca “perché volevo capire il meccanismo di base della formazione del tubo che si conserva in tutti i vertebrati. Quindi avevo bisogno di un animale che fosse alla base lungo l’albero della vita, [evolving] prima dei cordati”, ha detto.
Utilizzando CRISPR e altre tecniche per analizzare la funzione genica, oltre a lunghi filmati time-lapse delle larve di stelle marine in via di sviluppo, Perillo e colleghi hanno accertato come questo organismo generi tubi che si diramano dal suo intestino. Il suo studio definisce un kit di strumenti di base da cui potrebbero essersi sviluppati gli organi tubolari cordati. (I cordati includono i vertebrati – pesci, anfibi, rettili, uccelli e mammiferi – e alcuni subphyla invertebrati).
Una questione aperta in biologia era esattamente come gli organismi si sviluppano da una cellula nelle complesse strutture tubolari 3D di vari organi, ha detto Perillo. In alcuni organismi come le mosche, “c’è un grande ciclo di proliferazione cellulare prima che tutte le cellule inizino a creare modelli di migrazione molto complessi per allungarsi, cambiare forma e diventare un tubo”, ha detto. In altri animali, inclusi i mammiferi, la proliferazione cellulare e la migrazione avvengono insieme. Nel caso della stella marina, “ho scoperto che, per la formazione del tubo, le cellule possono proliferare e migrare allo stesso tempo”, come fanno nello sviluppo dei vertebrati. “Quindi, questo significa che questo meccanismo di creazione di organi era già stabilito alla base” o alla radice dell’evoluzione dei cordati, ha detto.
Oltre a fornire informazioni sul processo fondamentale che porta alla formazione degli organi, le stelle marine possono servire da modello per molte ricerche biomediche, suggerisce Perillo. Ad esempio, ha scoperto che un gene chiamato Six1/2 funge da regolatore chiave del processo di ramificazione nella formazione del tubo. Nei topi, l’eliminazione di Six1/2 provoca una formazione anomala dei reni. Ma i ricercatori hanno scoperto che i topi privi di questo gene resistono anche alla formazione del tumore, anche se iniettati con cellule tumorali. Il gene, che è sovraespresso nelle cellule tumorali, potrebbe portare a nuovi modi di studiare la progressione della malattia, incluso il cancro.
“Ora posso usare questo gene per capire non solo come si sviluppano i nostri organi, ma cosa succede agli organi quando abbiamo una malattia, in particolare il cancro”, dice. “La mia speranza è che, tra cinque o dieci anni al massimo, saremo in grado di utilizzare questo gene per testare come gli organi sviluppano il cancro e come il cancro diventa metastatico”.
Gli embrioni di stelle marine hanno molti vantaggi sperimentali pratici, ha detto Perillo. Sono per lo più trasparenti, quindi i processi di crescita interna possono essere osservati direttamente per lunghi periodi di sviluppo senza danneggiare l’organismo. Sono anche facili da raccogliere e allevare in gran numero tutto l’anno, “quindi ho sempre molto materiale con cui lavorare”.
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