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Biology II: Mouse, Zebrafish, and Chick

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Un'introduzione al pulcino: Gallus gallus domesticus

Overview

L'embrione di pollo (Gallus gallus domesticus) è un organismo modello estremamente prezioso per la ricerca in biologia dello sviluppo, in parte perché la maggior parte del loro sviluppo avviene all'interno di un uovo che viene incubato al di fuori della madre. Di conseguenza, è possibile accedere alle prime fasi di sviluppo, visualizzarle e manipolarle semplicemente creando un piccolo foro nel guscio d'uovo. Poiché miliardi di polli vengono allevati in tutto il mondo per la produzione di carne e uova, gli scienziati possono facilmente ed economicamente acquisire un gran numero di uova fecondate durante tutto l'anno. Inoltre, i polli condividono una significativa conservazione genetica con gli esseri umani, quindi i meccanismi genetici che sono stati trovati per regolare lo sviluppo del pollo sono rilevanti anche per la nostra biologia.

Questo video si concentra sull'introduzione del pollo addomesticato come modello scientifico. La discussione inizia con una revisione della filogenesi del pollo, rivelando le caratteristiche che li rendono amnioti, come altri uccelli, rettili e mammiferi. Saranno presentati i punti salienti dei millenni di ricerca sul pollo, che vanno dai postulati di Aristotele sulla funzione delle membrane extra-embrionali alle più recenti scoperte vincitrici del premio Nobel nelle neuroscienze. Inoltre, verranno forniti alcuni esempi attuali di studi condotti su embrioni di pollo, come il monitoraggio in vivo dei movimenti cellulari durante lo sviluppo e il reclutamento dei vasi sanguigni per sviluppare tumori (un processo noto come angiogenesi).

Procedure

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Il pollo in via di sviluppo, o pulcino, formalmente noto come Gallus gallus domesticus, è un importante sistema modello per la ricerca biomedica. All'interno di ogni uovo di gallina c'è un embrione che può essere sottoposto a manipolazioni genetiche ed embriologiche. Tale sperimentazione è rilevante per la salute e le malattie umane, a causa delle somiglianze tra genomi umani e di pulcini. Questo video copre una panoramica del sistema di modelli di pulcino, alcune scoperte chiave fatte nel pulcino e alcuni esempi interessanti di come vengono utilizzati nei laboratori di oggi.

Prima di parlare del valore scientifico del pulcino, esaminiamo alcune nozioni di biologia di base del pollo. Come rettili e mammiferi, il Gallus gallus appartiene al clade dei vertebrati Amniota, definito dalla presenza di membrane extraembrionali che supportano lo sviluppo embrionale. L'evoluzione di questo sistema di membrane all'interno dell'uovo ha permesso all'amniote ancestrale di abitare un ambiente terrestre milioni di anni fa, il che dimostra praticamente che è stato l'uovo a venire prima!

All'interno della classe Aves, i polli appartengono alla famiglia Phasianidae di uccelli terrestri, che trascorrono la maggior parte della loro vita sulla terraferma. Gli uccelli che conosciamo come una gustosa fonte di cibo sono infatti una sottospecie di Gallus gallus, comunemente noto come il uccello rosso della giungla, che abita il sud-est asiatico. Oggi, miliardi di polli vengono allevati per la produzione di carne e uova in tutto il mondo.

Chiaramente questi uccelli sono una parte importante della dieta umana, ma cosa amano mangiare? I polli sono onnivori che setacciano il terreno alla ricerca di insetti, semi e vegetazione. Le femmine di pollo, o galline, hanno particolarmente bisogno di un buon pasto poiché mettono molta energia nella produzione di uova, che vengono deposte quasi ogni giorno. Se un maschio è in giro, lo saprai; i galli sono più grandi, più colorati e molto più rumorosi!

Quando galli e galline si riuniscono per accoppiarsi, il ciclo di vita inizia con la fecondazione interna. Un uovo viene deposto 25 ore dopo, contenente un embrione multicellulare. Dopo 21 giorni di incubazione, un pulcino si schiude. La maturità sessuale si verifica entro 31 settimane nella maggior parte dei polli, completando il ciclo.

Ora, vediamo perché questo animale da fattoria comune è popolare nella ricerca scientifica. In primo luogo, è facile ottenere uova di gallina fecondate a un costo relativamente basso, tutto l'anno. In secondo luogo, gli esperimenti di sviluppo possono essere cronodati con precisione regolando la temperatura di incubazione.

In terzo luogo, poiché l'embrione si sviluppa esternamente, gli scienziati devono solo tagliare una finestra nel guscio per accedere alla maggior parte delle fasi di sviluppo. Gli embrioni tollerano anche abbastanza bene le manipolazioni sperimentali, perché l'albume d'uovo, o albumina, è naturalmente antibatterico.

Ultimo, ma certamente non meno importante, il pollo e il genoma umano sono altamente conservati. Nonostante il fatto che il genoma del pollo sia circa un terzo delle dimensioni di quello umano, racchiude un numero simile di geni. Di questi, il 60% corrisponde a un gene umano e sono in media identici al 75% alla loro controparte umana.

Ora che abbiamo discusso di ciò che rende i pulcini un ottimo modello, esaminiamo alcune scoperte chiave fatte in questo sistema. La ricerca sui pulcini risale all'antica Grecia, quando Aristotele postulò che le membrane extraembrionali che osservò nello sviluppo delle uova di gallina, la placenta umana e il cordone ombelicale, forniscono entrambi una nutrizione cruciale all'embrione. Molti anni dopo, nel 1672, Marcello Malpighi descrisse per la prima volta strutture di vertebrati fondamentali nell'embrione di pollo in via di sviluppo, come il tubo neurale, che forma il sistema nervoso; e i somiti, che daranno origine a più tessuti, come il muscolo scheletrico.

Nel 1817, Heinz Christian Pander studiò gli embrioni di pollo in fase iniziale e scoprì tre strati primordiali di cellule noti come strati germinali. Le cellule di questi strati: l'ectoderma, il mesoderma e l'endoderma, continuano a formare tutti i tessuti che compongono un organismo. Per questo lavoro, Pander ha guadagnato il titolo: Il fondatore dell'embriologia.

Nel 1951, Viktor Hamburger e Howard L. Hamilton pubblicarono una serie di 46 parti per identificare gli embrioni basati sull'anatomia, dalle uova appena deposte alla schiusa. La serie di stadi di Hamburger e Hamilton fornisce ai biologi pulcini un modo per standardizzare la stadiazione degli embrioni che studiano, riducendo le variabili introdotte dalle diverse temperature di incubazione.

Sempre nel 1950, Rita Levi-Montalcini scoprì un fattore misterioso che causava la crescita dei neuroni dei pulcini quando esposti a tumori di topo innestati. Stanley Cohen ha contribuito a identificare questo composto sconosciuto come NGF, o fattore di crescita nervosa. Per questo lavoro, hanno vinto il Premio Nobel nel 1986.

Ora che abbiamo discusso di come la ricerca sui pulcini abbia portato a importanti scoperte, diamo un'occhiata a come i pulcini vengono utilizzati nei laboratori oggi.

In primo luogo, gli embrioni di pollo sono spesso usati per tracciare i primi movimenti cellulari. Per essere in grado di distinguere le cellule dai loro vicini, gli scienziati trapiantano cellule di altre specie aviarie, come la quaglia, in embrioni di pulcino. Utilizzando marcatori specifici per le quaglie, le cellule vengono seguite per giorni mentre vengono incorporate nelle strutture in via di sviluppo.

I pulcini sono anche estremamente utili per studiare il pattern neuronale. Il tessuto neurale prelevato da un embrione può essere utilizzato per esaminare il tracciamento assonale, i circuiti e persino l'attività neuronale.

Infine, la membrana corioallantoica, altrimenti nota come CAM, è una membrana altamente vascolarizzata che viene spesso utilizzata per la ricerca sul cancro. Gli embrioni di pollo sono naturalmente immunodeficienti, il che consente alle cellule tumorali umane trapiantate di requisire prontamente i vasi sanguigni all'interno del CAM per stabilire tumori. La diffusione delle cellule cancerose, o metastasi, può essere facilmente studiata in questo test molto utile.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE a Gallus gallus. Questo video ha fornito una breve panoramica di questi uccelli, caratteristiche che rendono i loro embrioni grandi organismi modello, importanti scoperte scientifiche fatte nel pulcino e uno sguardo ai modi in cui vengono utilizzati nella ricerca biologica. Grazie per l'attenzione!

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