Scienza: svelata l’origine delle spine dei pesci

I meccanismi genetici che controllano la formazione delle spine nelle pinne dei pesci sono stati svelati dai ricercatori dell'Università di Costanza, in Germania

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Nel film “Un pesce di nome Wanda“, il cattivo Otto divora senza sforzo tutti gli occupanti dell’acquario di Ken. La realtà, tuttavia, è più scoraggiante. Almeno uno sfortunato fan che ha ricostruito questa scena è stato ricoverato in ospedale con un pesce bloccato in gola. Allo stesso tempo questa era anche una dolorosa lezione di ittiologia (lo studio scientifico dei pesci), e cioè che la difesa di alcuni pesci consiste in spine acuminate delle pinne.

Due tipi di elementi a pinna

In effetti, molte specie di pesci possiedono due tipi di elementi delle pinne, i raggi delle pinne molli “ordinari“, che sono smussati e flessibili e servono principalmente alla locomozione, e le spine delle pinne, che sono affilate e pesantemente ossificate. Poiché le spine delle pinne servono allo scopo di rendere il pesce meno commestibile, offrono un forte vantaggio evolutivo. Con oltre 18.000 membri, i pesci spinosi sono il lignaggio di pesci più ricco di specie. Questi pesci si sono persino evoluti “pinne spinose” separate costituite solo da spine. Pertanto, l’evoluzione delle spine delle pinne è considerata un fattore importante nel determinare la diversità e il successo evolutivo tra i pesci.

Nello studio pubblicato su PNAS, i ricercatori dell’Università di Costanza di un team guidato dal dottor Joost Woltering, che – insieme alla sua studentessa di dottorato e primo autore dello studio Rebekka Höch – lavora nel laboratorio del professor Axel Meyer, mostrano come fin spine sorgono durante lo sviluppo embrionale. Spiegano anche come le spine potrebbero evolversi dai raggi molli ancestrali indipendentemente in diverse linee di pesci. Lo studio si concentra su una specie modello per il pesce dai raggi spinosi, il ciclide Astatotilapia burtoni, che possiede parti di pinne spinose e dai raggi molli ben sviluppate.

Diversi geni di sviluppo per spine e raggi molli

Come primo passo, il team ha determinato i profili genetici dei raggi molli e delle pinne spinose durante lo sviluppo embrionale. “Ciò che è diventato chiaro da questi primi esperimenti è che un insieme di geni che già conoscevamo dallo sviluppo di pinne e arti viene attivato in modo diverso nelle spine e nei raggi molli“, afferma Rebekka Höch. Questi geni corrispondono ai cosiddetti geni regolatori principali e sono noti per determinare la morfologia nello scheletro assiale e dell’arto. Nelle pinne dei pesci, questi geni sembrano fornire un codice genetico che determina se gli elementi emergenti della pinna si svilupperanno come una spina dorsale o come un raggio molle.

I raggi molli possono trasformarsi in spine e viceversa

Successivamente, il team ha identificato percorsi genetici che attivano questi geni regolatori principali e che determinano la loro attività in diverse posizioni attraverso le pinne. “È importante sottolineare che siamo stati in grado di affrontare i ruoli di questi percorsi utilizzando strumenti chimici, i cosiddetti inibitori e attivatori, nonché le “forbici genetiche” CRISPR/Cas9 e quindi testare come vengono stabiliti i domini delle pinne spinose e dai raggi molli durante lo sviluppo“, afferma Joost Woltering, assistente professore presso il Dipartimento di Biologia dell’Università di Costanza e autore senior dello studio.

Nei loro esperimenti, gli scienziati sono stati in grado di alterare il numero di spine o raggi molli nelle pinne. Questo effetto è stato più sorprendente quando è stata modulata la cosiddetta segnalazione BMP (proteina morfogenetica ossea). “Non solo abbiamo visto cambiamenti nell’attivazione dei geni regolatori principali, ma abbiamo anche osservato le cosiddette trasformazioni omeotiche, in cui i raggi molli erano diventati spine, o viceversa, le spine si erano trasformate in raggi molli”, spiega Joost Woltering.

Un’ulteriore osservazione è stata che in questi pesci non solo la morfologia degli elementi delle pinne è cambiata, ma anche la colorazione delle pinne che li accompagna. “I ciclidi maschi hanno macchie gialle brillanti sulle pinne, ma queste sono limitate alla parte dei raggi molli. Quello che abbiamo osservato è che quando un raggio molle si trasformava in una spina dorsale, anche la pinna perdeva le macchie gialle in questa posizione“, dice Woltering. Questa osservazione mostra che nei pesci a raggi spinosi, spine e raggi molli sono parti integrate di un modulo di sviluppo più ampio che determina un numero di caratteristiche visibili delle pinne.

Lo stesso principio in diverse linee di pesci

Quando il puzzle è stato messo insieme, il team si è reso conto che un sistema di modelli profondamente conservato era stato ridistribuito durante l’evoluzione della pinna spinosa. “In effetti, il codice genetico che determina il dominio delle pinne in cui appariranno le spine è attivo anche nelle pinne che non hanno spine. Ciò indica che un modello genetico ancestrale è stato ridistribuito per creare spine“, afferma Rebekka Höch.

Con questa nuova intuizione in mente, gli autori hanno deciso di studiare il modello delle pinne nel pesce gatto, un gruppo di pesci i cui membri hanno sviluppato indipendentemente spine nelle pinne. In effetti, il codice genetico identificato per le spine nel ciclide corrispondeva a quello delle spine del pesce gatto. Sebbene esistano alcune differenze tra le diverse specie di pesci spinosi, suggerisce nel complesso l’esistenza di un modello di pinne profondamente conservato su cui si fa affidamento per creare spine quando questo è favorito dalla selezione evolutiva.

I prossimi passi

Per la sua ricerca futura, il team si concentrerà sui geni che agiscono a valle della colonna vertebrale identificata e sui geni di controllo dei raggi molli per scoprire come alterano esattamente la morfologia delle pinne controllando l’ossificazione e i percorsi di crescita cellulare. “Alla fine vogliamo ottenere una migliore comprensione di come sorgono nuove strutture anatomiche che rendono alcune specie più efficaci di altre e di come ciò abbia contribuito all’incredibile diversità evolutiva dei lignaggi dei pesci“, conclude Joost Woltering.