In che modo i pesci hanno sviluppato la loro armatura ossuta e squamosa?

Circa 350 milioni di anni fa, i vostri antenati evolutivi – e gli antenati di tutti i vertebrati moderni – erano solo animali oceanici dal corpo molle. Per sopravvivere ed evolversi in ciò che siamo oggi, questi animali avevano bisogno di protezione e vantaggi rispetto ai predatori oceanici, che allora erano dominati dai crostacei.

L’evoluzione dell’armatura coriacea, come le spine affilate che si trovano sul pesce gatto corazzato o le squame ossee a forma di diamante chiamate squame che ricoprono gli storioni, è stata una strategia di successo. Migliaia di specie di pesci utilizzano diversi stili di scudi dermici, costituiti da ossa e/o da un materiale chiamato dentina, un componente importante dei denti umani moderni. I rivestimenti protettivi hanno aiutato questi vertebrati a sopravvivere e ad evolversi in nuovi animali e infine in esseri umani.

Ma da dove viene questo scudo? Come si sono evoluti i nostri antichi antenati sottomarini per far crescere questo mantello protettivo?

Ora, utilizzando lo storione, un nuovo studio ha scoperto che un gruppo specifico di cellule staminali, chiamate cellule della cresta neurale del moncone, sono responsabili dello sviluppo dell’osteosarcoma nei pesci. Il lavoro è stato condotto da Jan Standel, ora ricercatore postdottorato Marie Sklodowska-Curie nel laboratorio di Marianne Brunner, professore di biologia Edward B. Lewis e direttore del Beckman Institute al Caltech. Un articolo che descrive la ricerca appare sulla rivista Atti dell’Accademia Nazionale delle Scienze Il 17 luglio.

Il laboratorio di Brunner è da tempo interessato allo studio delle cellule della cresta neurale. Queste cellule si trovano in tutti i vertebrati, compresi i pesci, i polli e noi stessi, e si specializzano in base al fatto che provengano da aree della testa (il cranio) o del midollo spinale (il tronco). Sia le cellule della cresta neurale del cranio che quelle del tronco migrano dai loro punti di partenza in tutto il corpo dell’animale in via di sviluppo, dando origine alle cellule che costituiscono le mascelle, il cuore e altre strutture importanti.

Dopo che uno studio del 2017 dell’Università di Cambridge ha dimostrato che le cellule staminali neurali danno origine a uno scudo cutaneo a base di avorio in una specie di pesce chiamata tiny skates, Stundell e i suoi colleghi hanno ipotizzato che lo stesso insieme di cellule potrebbe anche dare origine all’osso. – Armatura basata su vertebrati su larga scala.

Per studiarlo, Stundl e il suo team si sono rivolti allo storione, in particolare allo storione sterlet (Acipenser ruthenus). Lo storione moderno, noto per la produzione del caviale più costoso del mondo, ha ancora molte delle stesse caratteristiche dei suoi antenati milioni di anni fa. Questo li rende i primi candidati per gli studi evolutivi.

Utilizzando embrioni di storione coltivati ​​presso l’Istituto di ricerca per l’allevamento ittico e la biologia acquatica nella Repubblica Ceca, Stundl e il suo team hanno utilizzato un colorante fluorescente per tracciare il modo in cui le cellule della cresta neurale del tronco del pesce migrano attraverso il suo corpo in via di sviluppo. Gli storioni iniziano a sviluppare i loro ossicini dopo due settimane, quindi i ricercatori hanno tenuto i pesci in via di sviluppo in un laboratorio buio in modo che non disturbassero il colorante fluorescente con la luce.

Il team ha trovato cellule della cresta neurale staminali etichettate in modo fluorescente nei siti esatti in cui si stavano formando gli ossicini dello storione. Quindi hanno utilizzato una tecnica diversa per evidenziare gli osteoblasti, un tipo di cellula che forma l’osso. Le firme geniche associate alla differenziazione degli osteoblasti sono state trovate nelle cellule fluorescenti durante lo sviluppo delle squame dei pesci, fornendo una forte evidenza che le cellule della cresta neurale nello stelo di fatto danno origine a cellule osteogeniche.

In combinazione con le scoperte del 2017 sul ruolo delle cellule della cresta neurale nella formazione di uno scudo a base di dentina, il lavoro mostra che le cellule dendritiche della cresta neurale sono effettivamente responsabili dell’emergere dello scudo dermo-osseo che ha consentito il successo evolutivo dei pesci vertebrati.

“Lavorare con organismi non modello è impegnativo; gli strumenti su organismi di laboratorio standard come il topo o il pesce zebra non funzionano o devono essere altamente adattati”, afferma Stündl. “Nonostante queste sfide, le informazioni provenienti da organismi non modello come lo storione ci consentono di rispondere a domande fondamentali sulla biologia evolutiva in modo rigoroso”.

“Studiando i numerosi animali sull’albero della vita, possiamo dedurre gli eventi evolutivi che hanno avuto luogo”, afferma Bruner. “Questo è particolarmente potente se possiamo affrontare le questioni evolutive dal punto di vista della biologia evolutiva, perché molti dei cambiamenti che portano a diversi tipi di cellule si sono verificati attraverso piccole modifiche nello sviluppo embrionale”.

Il titolo dell’articolo è “Ancient vertebrate skin shield evolved from the neural trunk crest”.