Lo Sviluppo Unico delle Vertebre dei Mammiferi

I mammiferi mostrano una vasta varietà di strutture scheletriche, specialmente se guardiamo alle loro vertebre. Anche se molti studi si concentrano sulle ossa degli arti e dei crani, la colonna vertebrale ha anche caratteristiche uniche che variano da specie a specie. Per esempio, umani, delfini e giraffe hanno tutti sette vertebre cervicali nei loro colli, ma le lunghezze dei loro colli sono molto diverse. I bufali hanno spine neurali lunghe sulle loro vertebre toraciche per sostenere le loro teste pesanti. Le code nei mammiferi variano molto, dall'assenza di una coda in alcuni primati a lunghe code prensili in alcune scimmie. Questo solleva la domanda: come si sviluppano nel tempo le differenze nelle dimensioni e nella forma delle vertebre?

#Come si sviluppano le vertebre

Le vertebre provengono da diverse parti dell'embrione. Il cranio si forma dalla cresta neurale e dai tessuti vicini, gli arti si sviluppano da gemme che provengono dalla piastra laterale, e lo scheletro vertebrale deriva dai Somiti. La ricerca ha mostrato come si formano i somiti, che sono blocchi di tessuto nel tronco e nella coda. La velocità con cui questi somiti si formano è controllata da un orologio molecolare, e il numero di somiti determina il numero di vertebre che avrà un animale. Alcune specie, come i serpenti, possono avere molte vertebre a causa di questo processo.

Man mano che i somiti si sviluppano, acquisiscono identità specifiche in base alla loro posizione nel corpo, controllata dai geni Hox. Questi geni si esprimono in un ordine specifico che corrisponde alla loro disposizione nel genoma. I geni Hox aiutano a definire diversi tipi di vertebre, come quelle cervicali (collo), toraciche (petto), lombari (basso schiena), sacrali (pelviche) e vertebre della coda. Per esempio, se i geni Hox10 non funzionano correttamente, le vertebre lombari possono diventare simili nella forma a quelle toraciche, il che sarebbe insolito.

Una volta che i somiti si trasformano nella cartilagine che diventerà poi osso, si sa meno su come acquisiscono le loro forme e dimensioni uniche. Ogni vertebra ha una parte centrale e vari processi che creano articolazioni con vertebre adiacenti e forniscono punti di attacco per i muscoli. Anche se la forma base delle vertebre è semplice, le loro lunghezze possono variare abbastanza, anche tra vertebre vicine.

Interesante notare che lo scheletro vertebrale ha una storia evolutiva diversa rispetto a quello degli arti, risalente a oltre 60 milioni di anni fa. Sia le vertebre che le ossa degli arti crescono attraverso lo stesso processo chiamato ossificazione endocondrale. Anche se abbiamo imparato molto su come crescono le ossa degli arti, si sa molto meno su come crescono diversamente le vertebre.

#Un modello per lo studio: il gerboa egiziano minore

Per capire meglio queste differenze nella crescita scheletrica, i ricercatori stanno studiando il gerboa egiziano minore. Questo animale cammina su due zampe e ha arti posteriori e piedi più lunghi rispetto ai più tipici topi da laboratorio a quattro zampe. Il gerboa ha anche una coda notevolmente lunga, che è 1.5 volte la lunghezza di una coda di topo se consideriamo la dimensione del corpo. Sorprendentemente, questa lunga coda ha meno vertebre di quella di un topo. Le singole vertebre nella parte centrale della coda del gerboa sono molto più lunghe, causando una differenza significativa nella lunghezza della coda rispetto alla dimensione del corpo.

Attraverso l'analisi sia dei gerboa che dei topi, i ricercatori possono osservare come le vertebre crescono nel tempo. Monitorano la crescita della coda e delle singole vertebre dalla nascita alla maturità, concentrandosi su quando compaiono le differenze in lunghezza e proporzioni.

Alla nascita, le code di topo e gerboa sono lunghe circa la metà dei loro corpi. Tuttavia, quando hanno circa tre settimane, la coda del gerboa inizia a crescere molto più a lungo rispetto alla dimensione del corpo, mentre la coda del topo rimane più vicina alla lunghezza del corpo. Questo modello di crescita continua fino a quando il gerboa raggiunge le proporzioni adulte complete.

#Crescita cellulare nelle vertebre della coda

Le vertebre crescono attraverso l'ossificazione endocondrale delle loro cartilagini di crescita. Per capire come le velocità di crescita differiscano tra le vertebre del gerboa e quelle del topo, i ricercatori si sono concentrati sulle vertebre che mostrano la maggior e la minor crescita. Etichettando l'osso con un colorante fluorescente, possono misurare quanto rapidamente si allungano queste cartilagini di crescita.

Lo studio ha scoperto che nel topo, la crescita nella prima vertebra della coda è più lenta rispetto alla sesta vertebra. Al contrario, la prima vertebra del gerboa cresce più velocemente della sesta. Le vertebre della coda del gerboa crescono complessivamente molto più velocemente di quelle nei topi. L'altezza della cartilagine di crescita aiuta a indicare quanto velocemente possono crescere queste vertebre, con altezze maggiori che suggeriscono una crescita più rapida.

Durante questo esame, i ricercatori hanno misurato diversi aspetti delle cartilagini di crescita, come la loro altezza totale, l'altezza di zone specifiche all'interno della cartilagine e la dimensione dei Condrociti, che sono cellule coinvolte nella formazione della cartilagine. Hanno scoperto che le vertebre della coda del gerboa hanno zone di crescita più alte, il che suggerisce che più cellule siano coinvolte nel processo di crescita, portando così a una maggiore velocità di crescita.

Al contrario, la dimensione dei condrociti, che può influenzare la velocità di crescita generale, non mostra grandi differenze nel topo. Tuttavia, la sesta vertebra del gerboa ha condrociti molto più grandi di quelli trovati nelle altre cartilagini di crescita vertebrali, il che contribuisce alla sua rapida allungamento.

#Meccanismi molecolari della crescita

Oltre a studiare come crescono le vertebre, i ricercatori stanno indagando i fattori genetici che guidano queste differenze. Confrontando le espressioni geniche tra gerboa e topi, possono identificare quali geni sono responsabili dei modelli di crescita unici osservati nella coda del gerboa. Queste analisi rivelano molti geni coinvolti nei processi di sviluppo e allungamento della cartilagine.

Tra i geni candidati identificati, un attore chiave è NPR3, che appare in vari studi relativi sia alla crescita degli arti che a quella vertebrale. NPR3 è coinvolto in vie di segnalazione che aiutano a regolare le velocità di crescita. Curiosamente, mentre i livelli di NPR3 sono più alti nei gerboa, gioca anche un ruolo nel limitare la crescita eccessiva regolando l'attività di altri segnali coinvolti nello sviluppo osseo.

Per vedere come le modifiche in NPR3 potrebbero influenzare la crescita della coda, i ricercatori hanno creato topi knockout che mancano di questo gene. Hanno osservato che questi topi avevano code più lunghe, indicando che NPR3 di solito inibisce la crescita della coda.

#Riepilogo dei risultati

Le osservazioni derivate dallo studio sia dei gerboa che dei topi forniscono preziose intuizioni su come crescono e si evolvono le vertebre. Le differenze nella lunghezza delle vertebre e nel numero di vertebre non sono solo determinate da processi di sviluppo, ma anche influenzate da meccanismi genetici. Lo studio sui gerboa getta luce sui fattori cellulari che guidano la crescita, mentre evidenzia anche geni significativi che giocano ruoli nella regolazione di questi processi.

Nel complesso, questa ricerca mette in evidenza la complessità dello sviluppo scheletrico nei mammiferi, in particolare su come le vertebre possano raggiungere una varietà di dimensioni e proporzioni. I risultati suggeriscono potenziali vie per ulteriori indagini su come diverse specie adattano le loro strutture scheletriche per soddisfare le loro esigenze ecologiche. Questo lavoro apre porte alla comprensione della base genetica e cellulare dietro la diversità scheletrica, e le sue implicazioni si estendono sia alla biologia evolutiva che a potenziali applicazioni in medicina.

Con nuove tecniche e modelli, i ricercatori sono meglio attrezzati per scoprire i dettagli intricati di come i mammiferi sviluppano i loro scheletri e la diversità che ne deriva. Questa comprensione non solo arricchisce la nostra conoscenza della biologia dei mammiferi, ma può anche informare gli sforzi di conservazione e lo studio delle adattamenti evolutivi.

#Conclusione

Il viaggio per comprendere la diversità scheletrica nei mammiferi continua, rivelando strati di complessità nello sviluppo e nell'evoluzione delle vertebre. Esaminando specie come il gerboa egiziano minore, gli scienziati possono esplorare le fondamenta cellulari e molecolari che contribuiscono alla vasta gamma di strutture vertebrali trovate nel regno animale oggi. La conoscenza acquisita da tali studi non solo informa la nostra comprensione dell'evoluzione dei mammiferi, ma pone anche domande intriganti per future ricerche in biologia e genetica.