A germline-specific reporter reveals conserved primordial germ cell developmental dynamics between jawless and jawed fish species

Ogni animale vivente porta dentro di sé una discendenza segreta, un piccolo gruppo di cellule messe da parte all'inizio della vita per diventare la generazione successiva. Queste sono le cellule germinali primordiali, gli antenati biologici di spermatozoi e ovociti. Mentre il resto del corpo di un animale è costruito da cellule che si dividono e si specializzano per formare pelle, muscoli o ossa, queste cellule germinali rimangono distinte, con il compito unico di trasmettere l'informazione genetica in avanti. Per decenni, gli scienziati hanno studiato come queste cellule si formano e si muovono in animali come i topi e i pesci zebra, scoprendo le regole che governano la riproduzione nei vertebrati con mascelle. Tuttavia, rimaneva un enorme vuoto nella nostra conoscenza: sapevamo molto poco su come queste cellule funzionino nel ramo più antico dell'albero genealogico dei vertebrati, i pesci senza mascelle. Senza la capacità di vedere chiaramente queste cellule in queste creature antiche, i ricercatori non potevano determinare se le regole della riproduzione fossero state inventate una sola volta, molto tempo fa, o se si fossero evolute separatamente in diversi gruppi di animali.

Per risolvere questo enigma, un team di ricercatori della Michigan State University ha rivolto la propria attenzione alla lampreda, un pesce senza mascelle che esiste da centinaia di milioni di anni. La sfida era che gli scienziati non avevano modo di tracciare le cellule germinali all'interno di un embrione di lampreda; erano invisibili a occhio nudo e difficili da distinguere dalle altre cellule. I ricercatori avevano bisogno di uno strumento per illuminare queste cellule specifiche in modo da poterle osservare crescere e muoversi in tempo reale. Hanno progettato un interruttore genetico basato su un gene chiamato piwil1, che è noto per essere attivo solo nelle cellule germinali in molte diverse specie. Agganciando un gene per una proteina fluorescente verde a questo interruttore, hanno creato un segnale biologico. Quando questo segnale veniva attivato, emetteva una luce verde, ma solo nelle cellule destinate a diventare spermatozoi o ovociti.

Il team ha testato prima questo nuovo strumento nel pesce zebra, un animale ben studiato, per assicurarsi che funzionasse correttamente. Hanno iniettato la costruzione genetica in uova fertilizzate di pesce zebra e hanno osservato lo sviluppo degli embrioni. I risultati sono stati immediati e chiari: la luce verde è apparsa esattamente dove doveva essere, marcando le cellule germinali primordiali mentre si formavano, migravano attraverso il corpo e si stabilizzavano nelle gonadi in via di sviluppo. Le cellule brillavano di verde dalle prime fasi della vita fino all'età adulta, dimostrando che lo strumento era stabile e affidabile. Fondamentalmente, l'iniezione non ha danneggiato gli embrioni; questi sono sopravvissuti e si sono sviluppati proprio come quelli che non erano stati iniettati. Questo successo ha dato ai ricercatori la fiducia necessaria per utilizzare lo stesso strumento nella lampreda, un organismo che non era mai stato dotato in precedenza di un marcatore genetico così specifico.

Quando i ricercatori hanno iniettato la costruzione luminosa in embrioni di lamprea, il risultato è stato una scoperta fondamentale per la biologia antica. La luce verde è apparsa negli embrioni di lamprea, marcando le cellule germinali primordiali proprio come era accaduto nel pesce zebra. Le cellule seguivano un percorso simile, muovendosi attraverso il corpo e infine radunandosi nella regione dove si sarebbero formate le gonadi. Questa osservazione ha fornito una forte evidenza del fatto che le istruzioni genetiche per identificare e mantenere queste cellule germinali siano profondamente conservate. Nonostante la lamprea e il pesce zebra si siano separati da un antenato comune più di 500 milioni di anni fa, entrambi utilizzano gli stessi segnali molecolari per trovare e proteggere le proprie cellule germinali. Lo studio suggerisce che il macchinario fondamentale per costruire la generazione successiva sia un'eredità antica condivisa da tutti i vertebrati, piuttosto che un tratto che si è evoluto indipendentemente nei pesci con mascelle.

Oltre a tracciare semplicemente le cellule, i ricercatori hanno utilizzato questo nuovo strumento luminoso per indagare su una questione riguardante la determinazione del sesso nei pesci. Nel pesce zebra, è noto che il numero di cellule germinali che un embrione possiede nelle prime fasi della vita può influenzare se diventerà maschio o femmina. Per vedere se questa regola si applicava alla lamprea, il team ha contato le cellule luminose negli embrioni di pesce zebra e le ha seguite fino all'età adulta. Hanno scoperto che gli embrioni con un numero maggiore di cellule germinali tendevano a svilupparsi come femmine, mentre quelli con meno cellule tendevano a diventare maschi. Ciò ha confermato che lo strumento poteva misurare accuratamente l'abbondanza cellulare e collegarla all'esito sessuale. Sebbene lo studio si fosse concentrato principalmente sulla validazione dello strumento nelle lampree, la capacità di contare queste cellule in tempo reale apre la porta a ricerche future per vedere se questa stessa relazione tra numero di cellule e sesso esiste nei pesci senza mascelle.

Lo sviluppo di questo sistema di reporter luminoso è più di un semplice traguardo tecnico; fornisce una finestra sulla storia evolutiva della riproduzione. Prima di questo lavoro, gli scienziati potevano solo ipotizzare come si comportassero le cellule germinali nei pesci senza mascelle perché mancavano degli strumenti per vederle direttamente. Ora, con un metodo che permette di visualizzare queste cellule durante l'intero ciclo di vita dell'animale, i ricercatori possono finalmente confrontare i percorsi di sviluppo di pesci antichi e moderni fianco a fianco. Lo studio conferma che i meccanismi regolatori che controllano la linea germinale sono straordinariamente stabili nel tempo profondo, sopravvivendo a centinaia di milioni di anni di evoluzione. Questa nuova capacità non solo approfondisce la nostra comprensione di come i vertebrati si riproducono, ma offre anche un potenziale percorso per la gestione delle popolazioni di lamprede invasive nei Grandi Laghi, dove gli scienziati sperano di utilizzare strumenti genetici simili per controllarne il numero. Il lavoro è una testimonianza di come un semplice marcatore luminoso possa illuminare la storia nascosta della vita sulla Terra.