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Imparare da un “fossile vivente”

Mentre viviamo e respiriamo, pesci dall’aspetto antico noti come pinna di arco custodiscono segreti genetici che possono aiutare a svelare la storia evolutiva dell’umanità e a comprenderne meglio la salute.

I ricercatori dello stato del Michigan Ingo Braasch e Andrew Thompson stanno ora decodificando alcuni di questi segreti. Alla guida di un progetto che includeva più di due dozzine di ricercatori in tre continenti, gli Spartani hanno assemblato il quadro più completo del genoma della pinna di arco fino ad oggi.

“Per la prima volta, abbiamo quello che viene chiamato un assemblaggio del genoma a livello di cromosoma per la pinna di arco”, ha detto Braasch, un assistente professore di biologia integrativa presso il College of Natural Science. “Se pensi al genoma come a un libro, quello che avevamo in passato era come avere tutte le pagine strappate in pezzi. Ora le abbiamo rimesse nel libro”.

“E in ordine”, ha aggiunto Thompson, ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Braasch e primo autore del nuovo rapporto di ricerca, pubblicato il 30 agosto sulla rivista Nature Genetics.

Questa è un’informazione davvero importante per alcuni motivi, ha detto il duo, e inizia con la pinna di prua che è ciò che Charles Darwin chiamava “fossile vivente”. Il bowfin, o palombo, sembra un pesce antico.

Ciò non significa che il bowfin non si sia evoluto dai tempi antichi, ma si è evoluto più lentamente della maggior parte dei pesci. Ciò significa che la pinna di prua ha più cose in comune con l’ultimo antenato condiviso da pesci e umani, centinaia di milioni di anni fa, rispetto, ad esempio, al pesce zebra di oggi.

I pesci zebra, che sono moderni, i cosiddetti pesci teleostei, sono un esempio notevole perché sono ampiamente utilizzati dagli scienziati come modello per testare e sviluppare teorie sulla salute umana. Avere più informazioni genetiche sulla pinna aiuta a rendere il pesce zebra un modello migliore.

“Molte ricerche sulla salute umana e sulle malattie vengono fatte su organismi modello, come topi e pesci zebra”, ha detto Thompson. “Ma una volta identificati i geni importanti e gli elementi che regolano quei geni nel pesce zebra, può essere difficile trovare i loro equivalenti negli esseri umani. È più facile passare dal pesce zebra, alla pinna, all’uomo”.

Ad esempio, un gene particolarmente interessante è quello che viene utilizzato nello sviluppo della vescica gassosa della pinna, un organo che il pesce usa per respirare e immagazzinare aria. Gli scienziati ritengono che l’ultimo antenato comune condiviso da pesci e umani avesse organi pieni d’aria come questi che erano i predecessori evolutivi dei polmoni umani.

Nel loro nuovo studio, i ricercatori spartani hanno potuto vedere che un certo processo genetico nello sviluppo della vescica gassosa della pinna di arco presenta somiglianze sorprendenti con ciò che è noto sullo sviluppo del polmone umano. Un processo simile è presente anche nei moderni pesci teleostei, ma è stato oscurato da eoni di evoluzione.

“Quando hai cercato gli elementi genetici umani dello sviluppo di questo organo nel pesce zebra, non sei riuscito a trovarlo perché i pesci teleostei hanno tassi di evoluzione più elevati”, ha detto Thompson. “È presente nei pesci moderni, ma è nascosto alla vista finché non lo si vede nella pinna e nel luccio”.

Il luccio è un altro pesce che respira aria con lo status di “fossile vivente” studiato da Braasch e dal suo team. Con i genomi sia del luccio che del bowfin, il team è stato in grado di mostrare dove si nascondevano questi elementi genetici legati alla vescica gassosa e alla formazione dei polmoni nei moderni pesci teleostei. Il pesce antico consente ai ricercatori di costruire un ponte migliore tra i moderni organismi modello di pesce consolidati e la biologia umana.

“Non vuoi basare quel ponte su una specie”, ha detto Braasch, che ha aggiunto che questa scoperta rafforza anche le implicazioni per la storia evolutiva. “Questo è un altro pezzo del puzzle che suggerisce che l’antenato comune di pesci e umani avesse un organo pieno d’aria e lo usasse per respirare sulla superficie dell’acqua, abbastanza simile a quello che si vede in bowfin e gar”.

Sebbene questi risultati abbiano intuizioni pertinenti a tutta l’umanità, gli spartani potrebbero sentire un’affinità speciale per la pinna arco. Per cominciare, i pesci maschi trasformano le pinne e la gola in una brillante tonalità di verde durante la stagione riproduttiva. Inoltre, il famoso biologo William Ballard del Dartmouth College ha studiato lo sviluppo delle pinne di arco dalle uova ai pesci larvali presso la WK Kellogg Biological Station dello Stato del Michigan negli anni ’80. Questo era quello che lui chiamava la sua “Odissea di pesci strani” e il team di Braasch ora usa il suo lavoro per guidare le loro analisi genomiche dello sviluppo delle pinne.

I Bowfin sono originari del Michigan. Potrebbero essere nel Red Cedar River nel campus della MSU ora, secondo Thompson, ma possono anche essere piuttosto sfuggenti e, a volte, molto aggressivi. Ciò ha reso le collaborazioni essenziali per la messa in sicurezza degli esemplari. Con i colleghi della Nicholls State University in Louisiana, il team ha catturato le pinne per il sequenziamento del genoma. Amy McCune, una collaboratrice e professoressa alla Cornell University, sapeva dove trovare le uova di pinna di arco nello stato di New York e aveva uno studente laureato dotato di garantire questi campioni unici per indagare sullo sviluppo di pinne di arco.

Gli spartani avevano anche collegamenti in altre università e istituzioni con esperti in biologia del bowfin, evoluzione dei cromosomi e altro ancora. In tutto, il team includeva ricercatori di sei stati, oltre a Francia, Giappone e Svizzera. Di ritorno a East Lansing, anche gli studenti laureati Mauricio Losilla e Olivia Fitch, il tecnologo di ricerca Brett Racicot e Kevin Childs, direttore della struttura MSU Genomics Core, hanno contribuito allo studio, che arriva con una svolta interessante alla fine.

Quasi tutte le creature vertebrate che sviluppano arti o pinne accoppiate condividono un gene comune.

“Gli umani lo usano, i topi lo usano. Tutti i pesci che sono stati studiati finora lo usano”, ha detto Braasch. “L’ingenua aspettativa sarebbe che anche la pinna prua lo facesse.”

Ma non è quello che ha scoperto la squadra. Il bowfin, il “fossile vivente”, ha evoluto un modo diverso di far crescere le sue pinne accoppiate.

“Per qualsiasi ragione, ha cambiato la sua programmazione genetica. Anche i “fossili viventi” continuano a evolversi. Non sono congelati nel tempo”, ha detto Braasch. “È una specie di ammonimento che non dovremmo dare queste cose per scontate. Devi guardare tratto per tratto, gene per gene e attraverso molte specie diverse per dipingere il quadro completo”.


Materiali forniti dalla Michigan State University .

Riferimento della rivista :

  1. Andrew W. Thompson, M. Brent Hawkins, Elise Parey, Dustin J. Wcisel, Tatsuya Ota, Kazuhiko Kawasaki, Emily Funk, Mauricio Losilla, Olivia E. Fitch, Qiaowei Pan, Romain Feron, Alexandra Louis, Jérôme Montfort, Marine Milhes, Brett L. Racicot, Kevin L. Childs, Quenton Fontenot, Allyse Ferrara, Solomon R. David, Amy R. McCune, Alex Dornburg, Jeffrey A. Yoder, Yann Guiguen, Hugues Roest Crollius, Camille Berthelot, Matthew P. Harris, Ingo Braasch. Il genoma della pinna di prua illumina l’evoluzione dello sviluppo dei pesci con pinne raggiate . Genetica della natura , 2021; DOI: 10.1038/s41588-021-00914-y

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