Uma colaboração internacional que inclui cientistas da Escola de Medicina da Universidade do Colorado descobriu novas pistas sobre a origem dos apêndices pareados – um importante passo evolutivo que permanece sem solução e altamente debatido.
Os pesquisadores descrevem seu estudo em um artigo publicado hoje na revista Natureza.
“Este se tornou um tópico que vem com um pouco de controvérsia, mas é realmente uma questão muito fundamental na biologia evolutiva: de onde vêm nossos membros?” diz co-autor correspondente Christian Mosimann, PhD, professor associado e Johnson Chair no Departamento de Pediatria, Seção de Biologia do Desenvolvimento na CU School of Medicine.
Essa pergunta – de onde vêm nossos membros? — tem sido objeto de debate por mais de 100 anos. Em 1878, o cientista alemão Carl Gegenbaur propôs que as nadadeiras pares derivavam de uma fonte chamada arco branquial, que são alças ósseas presentes nos peixes para sustentar suas guelras. Outros cientistas favorecem a hipótese da dobra da nadadeira lateral, concluindo que as nadadeiras laterais na parte superior e inferior do peixe são a fonte das nadadeiras pareadas.
“É um tópico de pesquisa altamente ativo porque tem sido um desafio intelectual há muito tempo”, diz Mosimann. “Muitos grandes laboratórios estudaram os vários aspectos de como nossos membros se desenvolvem e evoluíram.” Entre esses laboratórios estão os colegas e co-autores do Dr. Mosimann, Tom Carney, PhD, e sua equipe na Lee Kong Chian School of Medicine na Nanyang Technological University, em Cingapura.
Perseguindo as células ímpares
Para Mosimann, a investigação sobre a origem dos membros é um desdobramento de outras pesquisas conduzidas por seu laboratório no CU Anschutz Medical Campus. Em seu laboratório, sua equipe usa o peixe-zebra como modelo para entender o desenvolvimento das células aos órgãos. Ele e sua equipe estudam como as células decidem seu destino, procurando explicações para como o desenvolvimento pode dar errado levando a anomalias congênitas, em particular doenças cardiovasculares e do tecido conjuntivo.
Ao longo do caminho, Mosimann e sua equipe de laboratório observaram como um tipo de célula peculiar com características de células do tecido conjuntivo, os chamados fibroblastos que compartilham uma origem de desenvolvimento com o sistema cardiovascular, migraram para barbatanas de desenvolvimento específicas do peixe-zebra. Acontece que essas células podem apoiar uma conexão entre as teorias concorrentes da evolução de apêndices pareados.
“Sempre soubemos que essas células eram estranhas”, diz ele. “Havia essas células parecidas com fibroblastos que entravam na chamada nadadeira ventral, a nadadeira na barriga do peixe-zebra em desenvolvimento. braços. Então continuamos observando esses fibroblastos peculiares, e nunca conseguimos entender o que eram por muitos anos.”
O laboratório Mosimann desenvolveu várias técnicas para rastrear o destino das células durante o desenvolvimento em busca de seu tópico principal, que é uma melhor compreensão de como a camada de células embrionárias, chamada de mesoderma da placa lateral, contribui para diversos órgãos. O mesoderma da placa lateral é a origem do desenvolvimento do coração, vasos sanguíneos, rins, tecido conjuntivo, bem como partes principais dos membros.
As nadadeiras pares que formam o equivalente a nossos braços e pernas são semeadas por células do mesoderma da placa lateral, enquanto outras nadadeiras não são. Compreender como essas barbatanas em particular se tornaram mais parecidas com membros está no centro de um debate de longa data.
Desenvolvendo novas teorias
Hannah Moran, que está cursando seu doutorado no programa de Biologia Celular, Células-Tronco e Desenvolvimento no laboratório Mosimann, adaptou um método de rastreamento de células do mesoderma da placa lateral que contribuem para o desenvolvimento do coração para que os pesquisadores possam rastrear os fibroblastos peculiares relacionados ao desenvolvimento dos membros.
“Meu principal projeto de pesquisa se concentra no desenvolvimento do coração, e não no desenvolvimento dos membros”, diz Moran, “mas havia uma técnica genética que adaptei para mapear as células cardíacas iniciais e, portanto, conseguimos implementar isso no mapeamento onde o células misteriosas da nadadeira ventral vieram. E acontece que elas também são do mesoderma da placa lateral.”
Essa descoberta crucial fornece uma nova peça do quebra-cabeça para o quadro geral de como evoluímos nossos braços e pernas. Evidências crescentes apóiam uma hipótese de evolução de apêndices pareados chamada de teoria da origem dupla.
“Nossos dados se encaixam perfeitamente nessa teoria combinada, mas também podem se sustentar sozinhos com a teoria da aleta lateral”, diz Robert Lalonde, PhD, pós-doutorado no laboratório Mosimann. “Embora apêndices pareados surjam do mesoderma da placa lateral, isso não exclui uma conexão antiga com barbatanas laterais não pareadas.”
Ao observar os mecanismos do desenvolvimento embrionário e comparar a anatomia das espécies existentes, grupos de pesquisa como o de Mosimann podem desenvolver teorias sobre como as estruturas embrionárias podem ter evoluído ou modificado ao longo do tempo.
“O embrião tem características que ainda são remanescentes antigos que ainda não foram perdidos, o que fornece informações sobre como os animais evoluíram”, diz Mosimann. “Podemos usar o embrião para aprender mais sobre características que persistem até hoje, permitindo-nos meio que viajar no tempo”, diz Mosimann. “Vemos que o corpo tem uma propensão fundamental e inerente para formar estruturas bilaterais de dois lados. Nosso estudo fornece uma peça do quebra-cabeça molecular e genético para resolver como chegamos a ter membros. Isso acrescenta a essa discussão de mais de 100 anos, mas agora temos insights moleculares.”
Colaboração internacional
Colaborações com colegas em laboratórios em todo o país e em todo o mundo são outra parte importante do estudo. Esses cientistas trazem especializações adicionais e contribuem com dados de outros modelos, incluindo paddlefish, sapos com garras africanas e uma variante do peixe dourado de cauda dividida chamada Ranchu, para estudar o desenvolvimento embrionário.
“Existem laboratórios neste artigo que trabalham com doenças musculoesqueléticas, toxicologia, fibrose. Trabalhamos com anomalias cardiovasculares, congênitas, anomalias cardiopulmonares, desenvolvimento de membros, tudo relacionado ao nosso interesse no mesoderma da placa lateral”, diz Mosimann. “E então, juntos, vocês podem fazer essas descobertas fundamentais. E é aí que a ciência da equipe nos permite fazer algo que é mais do que apenas a soma das partes.”
Apesar de todo o considerável trabalho e importância do estudo, a equipe de Mosimann reconhece que é um passo fundamental, mas não o fim da jornada no debate sobre apêndices pares.
“Eu não diria que resolvemos a questão, ou mesmo refutamos qualquer uma das teorias existentes”, diz Lalonde. “Em vez disso, contribuímos com dados significativos para responder a uma importante questão evolutiva”.