Da una mutazione indizi sull’evoluzione della colonna vertebrale

Una nova ricerca mostra come il cambiamento di una singola base nel DNA, che porta a difetti spinali, rende il pesce zebra un modello utile anche per lo studio dei difetti spinali umani


Nei pesci ossei (teleostei), lo sviluppo della colonna vertebrale si basa sulla notocorda: una struttura simile a un tubo che percorre la lunghezza dell’embrione in via di sviluppo. La notocorda, inviando segnali chimici che attraggono diverse molecole e tipi di cellule, fa da base e da guida per la “costruzione” delle ossa e della cartilagine della colonna vertebrale in fase di sviluppo. Anche gli embrioni umani (e dei tetrapodi in generale) iniziano con una notocorda, ma questa non fa da base per le vertebre ossee come nei teleostei. Si trasforma invece nei dischi cartilaginei tra le ossa: i dischi intervertebrali.

Il pesce zebra (Danio rerio) è un cosiddetto organismo modello (Pikaia ne ha parlato qui e qui) (il suo genoma è stato sequenziato per intero) ed è da decenni oggetto degli studi sullo sviluppo embrionale nei pesci, ma anche nei tetrapodi (Pikaia ne ha parlato qui). Gli studi in cui è implicato vanno dallo sviluppo e di funzione di geni alla tossicologia, dall’oncologia alla rigenerazione tissutale. Tuttavia la sua utilità come modello di sviluppo della colonna vertebrale umana è stata messa in dubbio proprio perché lo sviluppo della sua colonna vertebrale è diverso dal nostro.

Ora una nuova ricerca, pubblicata su Current Biology, mostra che la differenza tra il modo in cui i teleostei e i tetrapodi sviluppano la colonna vertebrale, si riduce solo a un segnale della notocorda. I ricercatori hanno infatti scoperto che una mutazione, causata dal cambiamento di una sola base nel DNA in un singolo gene, porta a difetti spinali nel pesce zebra. Questi mutanti hanno un corpo più corto causato da una colonna vertebrale deforme con vertebre fessurate divise a metà. I pesci che portano tale mutazione sono chiamati spondo, abbreviazione di spondylos che in greco significa spina dorsale. Un’ulteriore analisi della mutazione ha scoperto il ruolo della Calymmina protein come regolatore chiave del modello della colonna vertebrale nel pesce zebra. La mutazione nel gene cmn (che codifica per la Calymmin protein) determina la perdita della segmentazione della guaina della notocorda, alterando la migrazione degli osteoblasti verso la colonna vertebrale in via di sviluppo e aumentando la sensibilità ai difetti associati alla scoliosi congenita negli amnioti.

Il fatto sorprendente è che la spina dorsale del pesce mutante assomiglia molto a quella di esemplari fossili di antichi pesci. I ricercatori, aiutati da paleontologi, suppongono che questa piccola differenza nel DNA possa essere il punto in cui la linea evolutiva dei vertebrati terrestri si è separata da quella dei pesci (Pikaia ne ha parlato qui e qui). I ricercatori sottolineano come i segnali della notocorda sono fondamentali per la corretta formazione della colonna vertebrale. Questi segnali sono cambiati nel corso del tempo evolutivo generando le differenze che esistono nella modellazione della colonna vertebrale tra i vertebrati.

A questo punto, secondo il team, diventa possibile ipotizzare di studiare i difetti spinali umani, come la scoliosi congenita nei bambini, su questi pesci modello, perché i mutanti spondo sono sensibili agli stessi fattori che portano a questo tipo di problemi nella specie umana.

Questo lavoro, secondo gli scienziati, non solo getta luce sull’evoluzione della colonna vertebrale, ma ci fa anche capire come la colonna vertebrale si forma nei vertebrati terrestri. I ricercatori sono fiduciosi che, proseguendo la ricerca, saremo in grado di usare mutazioni come lo spondo per comprendere la complessa genetica della scoliosi e altri difetti della colonna vertebrale, finora intrattabili, che sono causati dalla notocorda.


Fonti
Brianna Peskin, Katrin Henke, Nicolás Cumplido, Stephen Treaster, Matthew P. Harris, Michel Bagnat, Gloria Arratia. Notochordal Signals Establish Phylogenetic Identity of the Teleost Spine. Current Biology, 2020; 30 (14): 2805 DOI: 10.1016/j.cub.2020.05.037

Immagine: Ed Hendel / CC BY-SA, via Wikimedia Commons