Regolazione della crescita nei dischi alari della mosca della frutta

Molti animali, inclusi mammiferi, uccelli e insetti, mostrano un particolare schema di crescita chiamato curva a S. Inizialmente, crescono rapidamente, ma a un certo punto, il tasso di crescita si stabilizza. Questo schema può essere osservato non solo negli animali interi, ma anche nei loro organi e parti del corpo. Ad esempio, studi hanno dimostrato che man mano che diverse specie crescono, sperimentano una fase in cui la crescita rallenta a causa di risorse limitate. Tuttavia, quando gli animali sono ben nutriti, questo rallentamento è più strano, e gli scienziati stanno cercando di capire perché accade.

#Segnali che controllano la crescita

Negli animali multicellulari, la crescita è influenzata da un mix di segnali esterni e interni. Gli ormoni della crescita e i fattori simili all'insulina giocano un ruolo significativo nella coordinazione della crescita di vari organi e nell'adeguare la loro dimensione finale in base ai nutrienti disponibili. Ad esempio, nelle mosche della frutta, un ormone chiamato ecdysone può fermare la divisione cellulare quando la mosca sta per entrare nella sua prossima fase di vita. Anche se l'ecdysone è importante per la crescita delle parti del corpo, non ci sono abbastanza prove che dimostrino che i suoi livelli diminuiscano durante lo sviluppo. Infatti, i livelli di ecdysone tendono ad aumentare prima della fase in cui la divisione cellulare si ferma. Quindi, non c'è un legame chiaro e semplice tra i livelli di ecdysone e il rallentamento della crescita.

Inoltre, segnali provenienti da altre molecole nei tessuti aiutano anche a controllare la crescita. Questi indizi, trovati in tessuti come i dischi immaginali delle mosche della frutta, continuano ad aumentare durante lo sviluppo, suggerendo che potrebbero non spiegare nemmeno la lenta crescita. È stata anche proposta l'idea che, man mano che i tessuti crescono, il feedback meccanico potrebbe rallentare la crescita. Tuttavia, non ci sono ancora prove sperimentali che dimostrino che le restrizioni fisiche limitino la crescita di organi interi.

#Alla ricerca delle cause del rallentamento della crescita

Per scoprire cosa potrebbe causare il rallentamento della crescita, i ricercatori hanno cercato di identificare mRNA specifici che aumentano o diminuiscono con il tasso di crescita nei tessuti in sviluppo. Si sono concentrati sui dischi immaginali delle ali delle mosche della frutta, un modello ben studiato per analizzare il controllo della crescita. Le misurazioni hanno mostrato che durante la terza fase larvale, la crescita dei dischi delle ali inizia a decelerare. Un'analisi usando il sequenziamento dell'RNA ha rivelato che alcuni mRNA legati alla produzione di energia diventano meno comuni man mano che i dischi invecchiano, indicando che i tessuti in crescita potrebbero sperimentare livelli inferiori di Ossigeno mentre si espandono.

Questa diminuzione di molecole energetiche importanti è stata confermata usando un indicatore sensibile per i livelli di ossigeno. I risultati suggerivano che l'aumento della domanda di ossigeno dovuta alla crescita porta a una diminuzione della crescita totale a causa della disponibilità limitata di ossigeno.

#Cambiamenti di volume nei dischi immaginali delle ali

I dischi immaginali delle ali iniziano come un piccolo gruppo di circa 30 cellule messe da parte durante le prime fasi dello sviluppo. Durante le tre fasi larvali, questi dischi attraversano molteplici cicli di divisione cellulare, risultando in decine di migliaia di cellule che formeranno le ali adulte. I ricercatori hanno misurato il volume di questi dischi delle ali nel tempo e hanno osservato che i tassi di crescita sono progressivamente diminuiti man mano che i larve si sviluppavano. Ad esempio, il tasso di crescita è sceso dal 9% all'ora all'inizio della terza fase larvale al 2% all'ora entro la fine.

Inoltre, sono stati trovati geni diversi che mostrano livelli di attività in cambiamento in relazione ai tassi di crescita durante questo periodo. Alcuni geni essenziali coinvolti nella produzione di DNA, RNA e proteine si aspettava che diminuissero in espressione man mano che la crescita rallentava. Tuttavia, anche altri geni legati al metabolismo aerobico sono diminuiti, suggerendo che i tessuti potrebbero non ricevere abbastanza ossigeno man mano che diventano più grandi. Inoltre, è stata notata un'aumento nell'espressione di alcuni geni responsabili della scomposizione degli zuccheri, accennando a un cambiamento verso una produzione di energia meno efficiente.

#Dischi delle ali e livelli di ossigeno

Per capire come cambiano i livelli di ossigeno durante la crescita, i ricercatori hanno usato un sensore di ossigeno transgenico che può rivelare differenze nella disponibilità di ossigeno all'interno dei tessuti. Hanno testato questo sensore su larve a diversi stadi di sviluppo e hanno trovato prove che supportano una diminuzione complessiva dei livelli di ossigeno man mano che le larve maturavano. Sfortunatamente, il sensore ha influenzato negativamente la crescita, rendendo difficile raccogliere informazioni specifiche dai dischi delle ali stessi. Nonostante queste sfide, i dati indicavano un aumento graduale dei livelli di ossigeno all'interno dei dischi delle ali durante lo sviluppo.

L'attività della principale proteina sensore di ossigeno, Sima (simile a HIF-1 nei mammiferi), può indicare cambiamenti nei livelli di ossigeno. Quando i livelli di ossigeno sono normali, Sima viene degradato ma si accumula quando i livelli di ossigeno sono bassi, attivando geni che aiutano le cellule a rispondere alla bassa disponibilità di ossigeno. Anche se può essere difficile misurare i livelli di ossigeno nei tessuti vivi, l'attività di Sima può essere un indicatore utile.

Per ottenere una comprensione migliore di come Sima risponde ai cambiamenti nei livelli di ossigeno, i ricercatori hanno sviluppato un sensore migliorato che risponde anche a lievi diminuzioni di ossigeno. Hanno scoperto che i dischi delle ali mostrano un'attività di Sima sempre più alta man mano che crescono, confermando una tendenza costante verso una minore disponibilità di ossigeno mentre la crescita progrediva.

#Ruolo di Sima nella regolazione della crescita

Sia nelle mosche della frutta che nei mammiferi, l'aumento dell'attività di Sima porta a una riduzione delle dimensioni e del numero delle cellule. Esperimenti che manipolano i livelli di Sima nei dischi delle ali delle mosche della frutta hanno mostrato una marcata diminuzione delle dimensioni dei tessuti quando Sima era sovraespressa, accompagnata da un aumento dell'attività del sensore di ossigeno. Questa risposta è stata notata anche quando i livelli di Sima erano ridotti, suggerendo il suo ruolo cruciale nella regolazione della crescita.

Inoltre, Sima sembra influenzare un'altra via legata alla crescita chiamata segnalazione Tor. Questa via è fondamentale nel controllare la crescita cellulare e il metabolismo. Quando l'attività di Sima aumenta, l'attività di TOR è attenuata, risultando in una crescita più lenta. Al contrario, quando l'attività di Sima è ridotta, aumenta la crescita, implicando che Sima aiuta a contenere la crescita gestendo i processi legati all'energia.

#Effetti dell'eccesso di attività TOR

La ricerca indica che la crescita rapida richiede molta energia, tipicamente fornita dalla scomposizione dei nutrienti in presenza di ossigeno. Quando le domande di crescita superano l'ossigeno disponibile, si presenta una sfida significativa. Per capire come il segnale TOR in eccesso influisce sui livelli di ossigeno, i ricercatori hanno studiato mosche della frutta che sovraesprimevano una proteina specifica per aumentare l'attività di TOR. Questo aumento ha portato a un marcato aumento dell'attività di Sima e a una corrispondente diminuzione dei livelli di ossigeno all'interno delle cellule.

Valutando l'impatto dell'aumento dei livelli di TOR sui tessuti circostanti, i ricercatori hanno scoperto che la mancanza di ossigeno disponibile ha portato a effetti non specifici oltre l'area in cui TOR era attivato. Questo suggerisce che tassi di crescita elevati potrebbero sovraccaricare l'apporto di ossigeno, impattando l'intero organismo.

#Impatti dello stress cellulare

L'aumento della domanda energetica può creare un disallineamento tra l'ossigeno disponibile e quello necessario per la crescita. Se le attività di crescita portano a un uso maggiore di ossigeno rispetto a quello fornito, può verificarsi stress cellulare. Studi hanno dimostrato che l'attività eccessiva di TOR provoca questo stress, come evidenziato dall'aumento dell'attività di alcune proteine di risposta allo stress.

Interessante, se i livelli di Sima sono ridotti mentre l'attività di TOR è aumentata, il livello di stress aumenta ulteriormente. Al contrario, se l'attività di TOR è diminuita, i livelli di stress diminuiscono. Questo suggerisce che in condizioni di crescita normali, Sima gioca un ruolo protettivo contro l'eccesso di stress cellulare.

#Riassunto dei risultati

Questa ricerca mostra che i dischi delle ali in crescita delle mosche della frutta diventano più ipossici nel tempo, anche in condizioni normali di ossigeno. Una combinazione di analisi dell'RNA e il nuovo sensore di ossigeno ha aiutato a identificare questa tendenza, suggerendo che l'ossigeno limitato potrebbe contribuire al rallentamento della crescita. L'aumento dell'attività di Sima sembra limitare la segnalazione di TOR, che, a sua volta, aiuta a gestire il consumo di energia e ridurre lo stress sulle cellule.

Fattori sia locali che sistemici possono svolgere un ruolo su come la disponibilità di ossigeno impatta la crescita. I risultati sottolineano l'intricata bilancia tra la domanda di crescita e l'apporto di ossigeno, evidenziando come gli organismi potrebbero adattarsi per gestire queste limitazioni durante lo sviluppo normale.

In generale, lo studio illustra che la crescita può esercitare conseguenze negative su se stessa, con cambiamenti nella disponibilità di ossigeno che influenzano i processi di sviluppo. Comprendere queste relazioni potrebbe fornire approfondimenti sulla regolazione della crescita in vari sistemi biologici.