Nel piano corporeo di qualsiasi organismo pluricellulare, gli organi sono posizionati in modo stereotipato, con differenze specifiche di sesso nella forma tridimensionale e nella collocazione degli organi. Molti aspetti relativi a come gli organi raggiungono le loro dimensioni e forme specifiche sono relativamente ben compresi. Tuttavia, la comprensione di come gli organi raggiungono una organizzazione spaziale specifica per sesso è limitata. Inoltre, non è noto se le differenze sessuali nella geometria tridimensionale degli organi abbiano conseguenze fisiologiche dirette. In un articolo pubblicato su Nature, Blackie et al. presentano prove che un processo inaspettato guida le differenze tra la forma degli organi maschili e femminili, con implicazioni fisiologiche a lungo termine.
Comprensione della disposizione spaziale degli organi
La limitata comprensione della disposizione spaziale degli organi da parte dei ricercatori deriva da due problemi chiave. Il primo è una tendenza ad assumere che la disposizione spaziale di ordine superiore e le differenze specifiche di sesso degli organi siano semplicemente una conseguenza delle restrizioni spaziali dell’organizzazione degli organi nella cavità corporea. Il secondo problema è che indagare le relazioni spaziali multi-organo e analizzare se la forma degli organi abbia implicazioni fisiologiche è tecnicamente impegnativo. Blackie e colleghi hanno superato questi ostacoli per indagare tali aspetti della disposizione degli organi in un organismo intatto.
La scoperta di Blackie e colleghi
L’intuizione chiave fornita da questo studio è la scoperta che gli organi adiacenti influenzano la geometria reciproca nello spazio tridimensionale tramite la secrezione di molecole specifiche. Lo studio rivela che le differenze nella comunicazione inter-organica tra maschi e femmine risultano in forme organiche specifiche per sesso. Inoltre, gli autori rivelano che la forma tridimensionale degli organi, in particolare quella dell’intestino femminile, è necessaria per la fecondità, la resistenza alla fame e la soppressione dei tumori. Questo lavoro, quindi, fornisce prove dirette delle implicazioni fisiologiche della geometria degli organi.
Tecniche avanzate
Queste scoperte sono state possibili grazie a un metodo chiamato tomografia micro-computerizzata, che si basa su raggi X per catturare immagini tridimensionali dettagliate delle strutture interne. Gli autori hanno riprogettato questa tecnica di imaging tridimensionale per visualizzare contemporaneamente gli organi intatti di moscerini della frutta maschi e femmine (Drosophila melanogaster). L’imaging di grandi gruppi di moscerini ha permesso a Blackie e colleghi di catturare la variabilità tra molti individui e fornire informazioni complete sugli organi in 3D. Gli autori hanno sviluppato algoritmi di analisi delle immagini che quantificavano le forme degli organi esaminando aspetti della geometria locale come la curvatura e la posizione degli organi.
Differenze nella forma dell’intestino
Questi progressi tecnologici hanno permesso una caratterizzazione dettagliata delle distanze inter-organiche e delle asimmetrie sinistra-destra nel confronto tra diversi organi in organismi intatti. In particolare, gli autori hanno osservato una notevole divergenza nella forma tridimensionale dell’intestino, con le anse dell’intestino medio femminile che presentano una maggiore curvatura e una posizione diversa rispetto a quelle dei maschi. Gli autori hanno cercato di scoprire le fondamenta delle differenze nella geometria tridimensionale degli organi tra maschi e femmine.
Cause delle differenze sessuali
Inizialmente, Blackie e colleghi hanno testato l’ipotesi ovvia che la forma delle anse intestinali nelle femmine fosse diversa da quella dei maschi perché le anse intestinali sono adiacenti a un organo specifico femminile (le ovaie). Gli autori hanno condotto esperimenti per ridurre le dimensioni delle ovaie, utilizzando approcci genetici e ambientali, come la crescita delle femmine in ambienti nutrizionalmente deprivati. Nonostante le riduzioni nelle dimensioni delle ovaie, le diverse anse intestinali (dimorfiche sessualmente) sono state mantenute nelle mosche femmine. Questi esperimenti suggeriscono che la forma tridimensionale dell’intestino non è solo una conseguenza secondaria della disposizione degli organi, ma risulta da meccanismi che scolpiscono attivamente la forma tridimensionale dell’intestino nelle femmine rispetto ai maschi.
Comunicazione tra organi
Nella loro ricerca per identificare un meccanismo che causa tale dimorfismo sessuale nella forma tridimensionale dell’intestino, gli autori si sono concentrati sulla comunicazione tra i muscoli dell’intestino e i tubi chiamati trachee. Il sistema tracheale di Drosophila consente uno scambio efficiente di ossigeno e anidride carbonica tra le trachee e i tessuti senza la necessità di un sistema sanguigno per trasportare questi gas, come avviene nei vertebrati. Il sistema tracheale fornisce anche supporto strutturale al corpo dell’insetto e aiuta a regolare la pressione interna. Pertanto, le trachee degli insetti funzionano in modo simile al sistema sanguigno dei vertebrati.
La proteina Branchless
Studi precedenti hanno dimostrato che i muscoli intestinali secernono una proteina, chiamata branchless, che promuove la ramificazione tracheale. Branchless appartiene a una famiglia di fattori di crescita che si legano ai recettori di superficie cellulare chiamati recettori FGFR (recettori del fattore di crescita dei fibroblasti), e tali ligandi recettoriali possono avviare una cascata di eventi di segnalazione intracellulare. La via di segnalazione FGF è essenziale per la formazione di nuovi vasi sanguigni nel sistema vascolare dei vertebrati e per lo sviluppo tracheale nelle mosche. Gli autori hanno notato livelli di espressione variabili di ligandi FGF tra maschi e femmine nelle aree intestinali che presentano forme tridimensionali dimorfiche sessualmente. Gli autori hanno anche osservato livelli distinti di ramificazione tracheale nel confronto tra maschi e femmine.
Mascolinizzazione dei muscoli intestinali
Attraverso tecniche genetiche, gli autori hanno mascolinizzato i muscoli intestinali delle mosche femmine, il che ha portato a una riduzione della ramificazione tracheale e a una forma tridimensionale dell’intestino più simile a quella dei maschi. Quindi, lo studio presenta prove convincenti che le trachee mantengono la forma tridimensionale tenendo insieme le anse intestinali. Gli autori rivelano che la densità di ramificazione tracheale differenziale tra maschi e femmine è regolata dai muscoli intestinali. Di conseguenza, lo studio scopre una segnalazione bidirezionale tra il sistema intestinale e tracheale in Drosophila, sfidando le idee convenzionali su come la forma degli organi sessualmente divergente possa essere specificata.
La forma degli organi
La visione prevalente è che le differenze specifiche di sesso nella forma degli organi siano determinate principalmente da due fattori: intrinsecamente dai cromosomi sessuali ed estrinsecamente dagli ormoni sessuali. Identificando la comunicazione inter-organica come scultrice della forma degli organi dimorfica sessualmente, questo studio introduce una terza dimensione inaspettata nella geometria degli organi. Oltre alla scoperta sorprendente del ruolo della comunicazione inter-organica bidirezionale nella forma specifica per sesso degli organi, gli autori riportano altre due scoperte sorprendenti.
Innanzitutto, identificano, utilizzando reporter che rilevano i livelli di ossigeno, che interrompere le trachee nelle regioni intestinali specifiche di interesse non altera la consegna di ossigeno in quelle aree. Pertanto, il ruolo principale delle trachee in questa regione è posizionare le anse intestinali, suggerendo che è necessario considerare i diversi ruoli che ciascun organo potrebbe avere nella forma tridimensionale degli organi. In secondo luogo, gli autori mostrano che, invece di influenzare il transito o l’ingestione del cibo nell’intestino, il ruolo delle trachee nella geometria intestinale significa che le trachee influenzano la fecondità dell’organismo, la resilienza alla fame e l’iperproliferazione delle cellule intestinali indotta dall’età. Questa ultima influenza implica che la forma degli organi ha un ruolo nella soppressione dei tumori. Quindi, questi dati rivelano una connessione intrigante ma ancora da comprendere appieno tra la forma tridimensionale degli organi dimorfici sessualmente e i risultati fisiologici a lungo termine.
