Una transizione a portata di… pinna

Nuove evidenze genetiche ci consentono di capire come le pinne si sono trasformate in arti, permettendo ad alcuni vertebrati di conquistare la terraferma

Le ossa delle dita dei tetrapodi derivano dalle stesse cellule che nei pesci formano i raggi delle pinne. Questa è la conclusione che emerge dallo studio pubblicato sulla rivista Nature da un gruppo di ricercatori dell’Università di Chicago, che ha cercato di fare chiarezza sulla relazione tra queste due strutture.

Per anni, gli scienziati hanno faticato a trovare un qualche nesso tra le pinne e le dita dei tetrapodi (Pikaia ne ha parlato qui), e questo per via delle diverse caratteristiche del loro tessuto osseo. Molte delle nostre ossa infatti, come quelle dell’arto, si sviluppano dalla cartilagine e contengono vasi sanguigni (osso endocondriale). Nella pinna dei teleostei, invece, questo tipo di ossa sono presenti solamente alla base, mentre i raggi sono composti da un tessuto osseo differente (osso dermico), che non contiene vasi e non comincia il suo sviluppo come cartilagine.

Il gruppo di ricercatori ha deciso di studiare l’espressione di alcuni geni Hox che nei mammiferi regolano la formazione dell’arto, e gli effetti dell’assenza dei loro prodotti proteici, per capire se e come i raggi delle pinne potrebbero aver contribuito a formare le dita. I geni Hox controllano lo sviluppo del piano corporeo degli organismi sia lungo l’asse che va dalla testa alla coda, sia lungo quello che va dalle strutture più prossimali a quelle più distali degli arti, in altre parole dalla spalla o dall’anca alle dita di mani e piedi, rispettivamente.

In passato, è stato dimostrato nel topo che la delezione di alcuni di questi geni Hox, come quelli del gruppo HoxA e HoxD (precisamente Hoxa13 e Hoxd13), impedisce unicamente la formazione delle dita e del polso (Pikaia ne ha parlato qui). Questi risultati facevano ipotizzare il coinvolgimento di questi due geni nella regolazione dello sviluppo delle pinne pettorali.

Sfruttando la moderna tecnologia di gene-editing chiamata CRISPR/Cas9, gli scienziati hanno quindi modificato Hoxa13 e Hoxd13 nel pesce modello zebrafish (Danio rerio) in modo da impedirne l’espressione, ed hanno osservato lo sviluppo di pinne deformi che non presentavano raggi. Questo esperimento ha dimostrato come questi geni controllino il destino sia delle cellule che nelle pinne formano le ossa dermiche (i raggi), che di quelle responsabili della formazione delle ossa endocondriali della nostra mano.

Utilizzando una tecnica per seguire il destino di singole cellule dall’embrione in via di sviluppo fino all’adulto, i ricercatori hanno osservato con loro sorpresa che le cellule che avevano espresso Hoxa13 davano origine ai raggi della pinna. In un esperimento molto simile in topo, ad essere marcati erano invece il polso e le dita. Queste evidenze, in altre parole, ci dicono che lo sviluppo delle pinne e degli arti segue delle regole comuni. La differenza risiede nel tipo di struttura che si formava all’apice distale di pinna e arto, rispettivamente raggi o dita, ma le cellule di partenza sembrano essere le stesse.

Curiosamente, in questi esemplari dalle pinne deformi si è riscontrato anche un concomitante aumento del numero delle piccole ossa di origine cartilaginea presenti alla base dei raggi. Questo potrebbe essere dovuto ad un accumulo di quelle cellule che, senza Hoxa13 e Hoxd13, non sarebbero più in grado di migrare verso l’apice della pinna per formare i raggi. Rimanendo in questa posizione, invece, si sarebbero differenziate in modo diverso, dando origine a ossa endocondriali.

Il noto Tiktaalik (Pikaia ne ha parlato qui) scoperto proprio da uno degli autori dello studio, Neil Shubin, aveva pinne simili ad arti, con ossa endocondriali corrispondenti a quelle del nostro braccio e avanbraccio, ma non possedeva dita, mantenendo una frangia molto ridotta di raggi. È chiaro, quindi, che tra i principali eventi che hanno accompagnato la transizione da pinna ad arto nel Devoniano, vi sono la perdita progressiva dei raggi e l’espansione delle ossa alla loro base. È possibile che entrambi questi due eventi fondamentali siano stati innescati dal cambiamento del destino delle cellule che nei pesci formano i raggi e nei tetrapodi le dita.

Quindi, nonostante raggi e dita non siano omologhi da un punto di vista anatomico, le cellule ed i meccanismi genetici responsabili della loro formazione sembrerebbero invece gli stessi.


Referenza:
Tetsuya Nakamura, Andrew R. Gehrke, Justin Lemberg, Julie Szymaszek, Neil H. Shubin. Digits and fin rays share common developmental histories. Nature, 2016; doi:10.1038/nature19322

Immagine: Shubin laboratory