Squame, spine, piume e peli sono esempi di appendici cutanee dei vertebrati, che costituiscono un gruppo notevolmente diversificato di microorgani. Nonostante la loro naturale moltitudine di forme, queste appendici condividono i primi processi di sviluppo allo stadio embrionale. Due ricercatori dell’Università di Ginevra (UNIGE) hanno scoperto come trasformare in modo permanente le squame che normalmente ricoprono le zampe dei polli in piume, modificando in modo specifico l’espressione di alcuni geni. Questi risultati, pubblicati sulla rivista I progressi della scienzaaprono nuove prospettive per lo studio dei meccanismi che hanno consentito transizioni evolutive radicali nella forma tra le specie.
La pelle dei vertebrati terrestri è adornata da diverse appendici cheratinizzate, come capelli, piume e squame. Nonostante la diversità delle forme all’interno e tra le specie, lo sviluppo embrionale delle appendici cutanee inizia tipicamente in modo molto simile. Tutte queste strutture, infatti, si sviluppano da cellule che producono un ispessimento localizzato sulla superficie cutanea ed esprimono particolari geni. Uno di questi geni, chiamato Sonic hedgehog (Shh), controlla un percorso di segnalazione, un sistema di comunicazione che consente la trasmissione di messaggi all’interno e tra le cellule. La segnalazione Shh è coinvolta nello sviluppo di diverse strutture, tra cui il tubo neurale, le gemme degli arti e le appendici cutanee.
Un antenato comune
Il laboratorio di Michel Milinkovitch, professore presso il Dipartimento di Genetica ed Evoluzione della Facoltà di Scienze dell’UNIGE, è interessato ai processi fisici e biologici che generano la diversità degli annessi cutanei nei vertebrati. In particolare, il suo gruppo ha precedentemente dimostrato che capelli, piume e scaglie sono strutture omologhe ereditate da un antenato comune rettiliano.
Le piume dell’embrione di pollo sono utilizzate dagli scienziati come sistema modello per comprendere lo sviluppo dell’appendice cutanea. Sebbene sia noto che alcune razze di polli, come le varietà “Brahma” e “Sablepoot”, esibiscono zampe piumate e superfici del piede dorsale, il determinismo genetico di questo tratto non è completamente compreso.
Una modifica transitoria per un cambiamento permanente
Poiché i percorsi di segnalazione responsabili di questa trasformazione non sono stati completamente determinati, il gruppo di Michel Milinkovitch ha studiato il ruolo potenziale del percorso Shh. “Abbiamo utilizzato la tecnica classica della ‘candelatura delle uova’, in cui una potente torcia illumina i vasi sanguigni all’interno del guscio d’uovo. Questo ci ha permesso di trattare con precisione gli embrioni di pollo con una molecola che attiva specificamente la via Shh, iniettata direttamente nel flusso sanguigno ,” spiega Rory Cooper, ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Michel Milinkovitch e coautore dello studio.
I due scienziati hanno osservato che questo trattamento specifico per singolo stadio è sufficiente per innescare la formazione di abbondanti piume giovanili di tipo piumino, in aree che normalmente sarebbero ricoperte di squame. Sorprendentemente, queste piume indotte sperimentalmente sono paragonabili a quelle che ricoprono il resto del corpo, in quanto sono rigenerative e vengono successivamente e autonomamente sostituite da piume adulte.
Dopo il confronto con embrioni iniettati con una soluzione di “controllo” (senza la molecola attiva), l’analisi del sequenziamento dell’RNA ha mostrato che il percorso Shh è attivato sia immediatamente che in modo persistente dopo l’iniezione della molecola. Ciò conferma che l’attivazione del percorso Shh è alla base della conversione delle squame in piume.
”I nostri risultati indicano che un salto evolutivo – dalle squame alle piume – non richiede grandi cambiamenti nella composizione o nell’espressione del genoma. Invece, un cambiamento transitorio nell’espressione di un gene, Shh, può produrre una cascata di eventi evolutivi che portano alla formazione di piume invece che di scaglie”, afferma Michel Milinkovitch. Questa ricerca, inizialmente incentrata sullo studio dello sviluppo di squame e piume, ha quindi importanti implicazioni per la comprensione dei meccanismi evolutivi che generano l’enorme diversità di forme animali osservate in natura.
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