Negli esseri umani, la gravidanza dura circa nove mesi. Nei topi, solo 20 giorni, e nei rinoceronti, fino a 17 mesi. Sebbene molte specie di mammiferi attraversino le stesse fasi durante lo sviluppo dell’embrione, la velocità di sviluppo differisce sostanzialmente tra gli animali. Un altro esempio di un evento che differisce nel tempo tra le specie è la formazione dell’asse del corpo dei vertebrati, la spina dorsale. La formazione dei segmenti corporei che daranno origine alle vertebre e alle costole, detti somiti, è controllata da un meccanismo detto orologio di segmentazione. L’orologio di segmentazione è un gruppo di geni che oscilla. Ogni oscillazione controlla la formazione di una coppia di somiti. La frequenza delle oscillazioni varia tra le specie, impiegando da due a tre volte più tempo negli esseri umani rispetto ai topi.
L’orologio di segmentazione è un sistema conveniente per studiare le differenze nelle specie, e il gruppo Ebisuya lo studia da molto tempo, rivelando recentemente che le differenze nelle velocità di reazione biochimiche sono responsabili delle differenze negli orologi del topo e dell’uomo. Tuttavia, per stabilire se questo sia un principio generale di sviluppo, i ricercatori avevano bisogno di ampliare le specie studiate, che fino ad ora sono state relativamente limitate all’uomo e al topo.
Ora, i ricercatori del gruppo Ebisuya hanno ricapitolato in laboratorio l’orologio di segmentazione di quattro nuove specie di mammiferi, oltre al topo e all’uomo: uistitì, conigli, bovini e rinoceronti. Questo lavoro è stato svolto in collaborazione con gruppi di ricerca con sede in Europa, Giappone e Stati Uniti.
Cos’è uno zoo di cellule staminali?
Uno zoo di cellule staminali è come una libreria di cellule staminali di diverse specie per studiare e confrontare diversi eventi di sviluppo. Il gruppo di collaborazione ha raccolto cellule staminali embrionali e cellule staminali pluripotenti indotte da uistitì, conigli, bovini e rinoceronti, che si sono aggiunte alla libreria già esistente di umani e topi. Questo diversificato campionamento di specie non ha precedenti per gli studi sullo sviluppo e mira a costituire una piattaforma per il confronto dei processi di sviluppo.
“Volevamo creare una piattaforma di cellule di diverse specie di mammiferi per studiare perché il loro tempo di sviluppo è diverso. Volevamo avere una gamma più ampia possibile, quindi abbiamo scelto specie con pesi corporei compresi tra 50 grammi e 2 tonnellate, lunghezze di gestazione da 20 giorni a 17 mesi, e tre diverse storie evolutive o filogenesi: Primati (umani e uistitì), Gliri (topi e conigli) e Ungulati (bovini e rinoceronti).” ha affermato Jorge Lázaro, pre-dottorato presso Ebisuya Group e primo autore dell’articolo.
Il gruppo si è concentrato sullo studio delle differenze nell’orologio di segmentazione delle quattro nuove specie. Hanno applicato protocolli sperimentali per differenziare le cellule staminali pluripotenti embrionali e indotte in cellule simili al mesoderma presitico, le cellule che daranno origine alla colonna vertebrale, alle costole e ai muscoli dello scheletro.
“Il nostro zoo di cellule staminali funge da piattaforma ideale per indagare sulla causa delle differenze interspecie nel periodo dell’orologio di segmentazione, nonché per determinare se esiste una relazione generale tra il tempo di segmentazione e le caratteristiche dell’organismo”. ha affermato Miki Ebisuya, Group Leader presso EMBL Barcelona e presso il Cluster of Excellence Physics of Life, TU Dresden.
Correlazione dell’orologio di segmentazione
È noto che la durata della gestazione, così come molti altri parametri corporei, si adattano al peso corporeo dell’animale. Le specie più grandi tendono ad avere un periodo di gestazione più lungo. Il gruppo ha quindi ipotizzato che le differenze nell’orologio di segmentazione potessero essere correlate al peso corporeo. Tuttavia, sorprendentemente, non hanno trovato alcuna correlazione tra il peso corporeo medio di ciascuna delle specie e il periodo dell’orologio di segmentazione. Allo stesso modo, la durata della gestazione non era correlata al periodo dell’orologio di segmentazione.
Invece, il gruppo ha scoperto che il periodo dell’orologio di segmentazione era altamente correlato con la durata dell’embriogenesi. L’embriogenesi è il tempo che intercorre tra la fecondazione e la fine dell’organogenesi, quando tutti gli organi si formano in un embrione. Ciò potrebbe significare che l’orologio di segmentazione può servire come un buon sistema per capire come viene stabilito il tempo di sviluppo embrionale generale tra le specie.
Inoltre, il gruppo ha scoperto che le tre diverse storie evolutive – Primati, Gliri e Ungulati – corrispondevano rispettivamente a periodi di clock di segmentazione lenti, veloci e intermedi, indicando una relazione tra ritmo di sviluppo e gruppi evolutivi.
In studi precedenti, il gruppo Ebisuya aveva già scoperto che le velocità delle reazioni biochimiche si adattano al periodo dell’orologio di segmentazione. Tuttavia, quegli studi si sono concentrati su topi e umani. Il gruppo ha ora esteso le specie oggetto di studio e ha confermato che i quattro nuovi mammiferi mostrano anche differenze nelle velocità delle reazioni biochimiche, correlandosi molto bene con il periodo dell’orologio di segmentazione. Ciò indica che i cambiamenti nei tassi biochimici potrebbero essere un meccanismo generale per controllare il ritmo dello sviluppo.
Inoltre, hanno scoperto che i geni correlati ai processi biochimici mostrano un modello di espressione correlato al periodo dell’orologio di segmentazione, fornendo un indizio concreto per un potenziale meccanismo molecolare alla base delle differenze nelle velocità di sviluppo tra le specie.
“Il nostro obiettivo è continuare ad aggiungere specie nel nostro zoo di cellule staminali”, ha affermato Ebisuya. “Se vogliamo confermare se i risultati della nostra ricerca possano costituire un principio universale dello sviluppo dei mammiferi, dobbiamo espandere lo zoo e includere una gamma più ampia di specie e filogenesi”.
Nell’attuale studio pubblicato su Cell Stem Cell, il gruppo si è concentrato sull’orologio di segmentazione, ma l’approccio dello zoo delle cellule staminali apre la possibilità di studiare altri tempi biologici come la frequenza cardiaca o la durata della vita. Più ricercatori sanno come funziona il tempo biologico, più potrebbero essere in grado di controllarlo. Ad esempio, nel campo degli organoidi, se si potesse accelerare il tempo necessario per sviluppare organoidi, si potrebbero accelerare gli studi di medicina rigenerativa.
“Un altro aspetto che mi piace molto dello zoo delle cellule staminali è la possibilità di imparare da specie diverse al di fuori dell’uomo e del topo”, ha detto Lázaro. “Molti animali hanno caratteristiche particolari che li rendono interessanti da studiare, ma per motivi pratici o etici non abbiamo accesso a loro in laboratorio. Caratteristiche come ad esempio le dimensioni di un rinoceronte o il collo lungo delle giraffe. Chi sa, forse nel nostro prossimo progetto possiamo usare le cellule staminali per cercare di capire come fanno le giraffe a sviluppare il loro collo lungo — e i somiti più lunghi!”
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
