A mecânica do desenvolvimento da escama da cabeça do crocodilo

Rory L. Cooper, Ebrahim Jahanbakhsh e Michel C. Milinkovitch

Laboratório de Evolução Synthetic e Pure (LANE), Genebra, Suíça
https://www.lanevol.org

Das escamas duras e protetoras dos répteis ao pêlo macio e isolante dos mamíferos, os amniotas estão equipados com uma notável variedade de apêndices cutâneos que os ajudam a prosperar em diversos ambientes. Para cumprir suas diversas funções, como proteção mecânica, termorregulação e fornecimento de camuflagem, os apêndices da pele devem ser dispostos (ou padronizados) com precisão. Por exemplo, as aves apresentam um arranjo espacial common de penas que permitem o voo (1), enquanto as cobras exibem um padrão hexagonal quase perfeito de escamas, que estão alinhadas com os seus músculos e costelas (2), para ajudar na locomoção.

Todos esses apêndices cutâneos se desenvolvem a partir de “placódios” (3, 4) compostos por um espessamento epidérmico, uma agregação subjacente de células dérmicas e sinalização molecular conservada. Está bem estabelecido que o padrão espacial dos placódios é auto-organizado através de interações entre morfogênios ativadores e inibitórios, formando o chamado sistema de reação-difusão de Turing (5-7). Por outras palavras, o arranjo auto-organizado resultante da expressão genética em “bolinhas” fornece um modelo que outline onde os apêndices da pele se desenvolverão (1, 3, 4, 8).

Notavelmente, as escamas irregulares da cabeça dos crocodilos, em forma de polígono, apresentam uma exceção fascinante a esse paradigma, pois parecem emergir de um processo mecânico, ou sejana ausência complete de um modelo genético (9). No entanto, a natureza exacta deste processo permaneceu indefinida durante mais de uma década. Em nosso novo artigo publicado esta semana em Natureza (10)resolvemos esse mistério por meio de uma abordagem multidisciplinar que combina manipulações experimentais de desenvolvimento de embriões de crocodilo, microscopia de luz de última geração e simulações numéricas de última geração.

Primeiro, importamos um grande número de ovos de crocodilo do Nilo da África do Sul para o nosso laboratório em Genebra, na Suíça. Depois de incubar esses embriões até que as escamas da cabeça começassem a surgir, realizamos ovo injeções intravenosas de proteína do fator de crescimento epidérmico (EGF) que, como o próprio nome indica, aumenta o crescimento epidérmico ao mesmo tempo que promove a queratinização. À medida que aumentamos a dose de EGF, observamos o desenvolvimento de um extenso padrão labiríntico de dobras complicadas nas mandíbulas do embrião de crocodilo, em vez das escamas poligonais normais. Estes resultados demonstram que as escamas da cabeça do crocodilo se desenvolvem através do dobramento compressivo e que o tratamento com EGF exacerba este dobramento. Observe que se acredita que a deformação do tecido devido ao “crescimento restrito” molda outras formas biológicas, incluindo as dobras intrincadas do cérebro humano (11), a vilificação do intestino humano e da galinha (12), o enrugamento superficial da mucosa (13) e os pequenos polígonos na pele glabra do rinário (ou nariz nu) de cães, vacas e furões (14). Curiosamente, mostrámos recentemente que, para este último exemplo, a forma poligonal do padrão é imposta pelo padrão poligonal subjacente dos vasos sanguíneos que actuam como “informação posicional mecânica” (14).

Notavelmente, quando permitimos que os crocodilos eclodam quatro semanas após o término do tratamento com EGF, eles não apresentam mais um padrão totalmente labiríntico, pois relaxam parcialmente em um padrão de polígonos menores. É importante ressaltar que esse padrão se assemelha ao de outra espécie de crocodiliano – o jacaré-de-óculos. Portanto, simplesmente promovendo o crescimento e a diferenciação da pele durante o desenvolvimento embrionário, podemos alterar o padrão de escamas da cabeça do filhote de um crocodilo do Nilo para o de um jacaré. Portanto, mudanças nos componentes moleculares de um intrincado sistema de reação-difusão de Turing não são necessárias para explicar a evolução dos padrões de escamas da cabeça em crocodilianos. Em vez disso, ligeiras variações na expressão de um número muito pequeno de genes que afectam o crescimento e/ou rigidez da pele podem explicar claramente esta mudança macroevolutiva.

Em seguida, usamos microscopia de luz de última geração para construir um modelo computacional 3D realista da cabeça do embrião de crocodilo antes do surgimento das escamas. Este modelo incorpora os elementos-chave que sugerimos para determinar o padrão mecânico das escamas da cabeça do crocodilo. Isto inclui a geometria da pele (como a variação espacial das espessuras epidérmica e dérmica) e do osso subjacente, a organização das fibras de colágeno dentro da derme e as taxas relativas de crescimento das duas camadas da pele. Notavelmente, nossas simulações de crescimento computacional reproduzem com precisão o arranjo pure da escala da cabeça dos crocodilos do Nilo, que inclui unidades alongadas no topo das mandíbulas e polígonos menores nas laterais. Além disso, o aumento do crescimento e da rigidez da pele em nossas simulações reproduction o dobramento cerebral labiríntico observado em nossos embriões tratados com EGF. Estes resultados mostram que o arranjo poligonal das escamas da cabeça do crocodilo pode de fato emergir de um sistema puramente mecânico de crescimento restrito da pele, na completa ausência de interações genéticas auto-organizadas.

No geral, nossas descobertas mostram que as escamas poligonais da cabeça dos crocodilos emergem da dobra compressiva da pele. É importante ressaltar que variações naturais no crescimento da pele e nas propriedades do materials permitiram a evolução de diversos padrões de escamas na cabeça observados em diferentes espécies de crocodilianos. Portanto, embora as interacções genéticas possam conduzir a muitos exemplos de padrões embrionários (7), a auto-organização no desenvolvimento não se restringe a tais interacções químicas. Na verdade, os processos físicos auto-organizados também contribuem para o surgimento de formas biológicas complexas (15-17).

Confira nossos (esperançosamente atraentes) dados de imagens 3D e simulações numéricas no vídeo a seguir, resumindo nossos resultados:

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Versões em outros idiomas (espanhol, alemão, japonês e chinês) serão disponibilizadas em janeiro de 2025.

Referências

1. WKW Ho e outros.As matrizes de penas são padronizadas pela interação de ondas de sinalização e densidade celular. Biologia PLoS 17e3000132 (2019).

2. AC Tzika, A. Ullate-Agote, S. Zakany, M. Kummrow, MC Milinkovitch, Informações posicionais somitas orientam a padronização auto-organizada de escamas de cobra. Ciência 9eadf8834 (2023).

3. N. Di-Poï, MC Milinkovitch, O placódio anatômico na morfogênese da escala de répteis indica ancestralidade compartilhada entre apêndices cutâneos em amniotas. Avanços da Ciência 2e1600708 (2016).

4. RL Cooper e outros.Um antigo mecanismo de padronização semelhante ao de Turing regula o desenvolvimento dos dentículos da pele em tubarões. Avanços da Ciência 4eaau5484 (2018).

5. AM Turing, A Base Química da Morfogênese. Transações Filosóficas da Royal Society de Londres. Série B, Ciências Biológicas 23737-72 (1952).

6. S. Kondo, T. Miura, Modelo de Reação-Difusão como Estrutura para Compreender a Formação de Padrões Biológicos. Ciência (Nova York, NY) 3291616-1620 (2010).

7. MC Milinkovitch, E. Jahanbakhsh, S. Zakany, A eficácia irracional da difusão da reação na padronização da cor da pele de vertebrados. Annu Rev Cell Dev Biol 39145-174 (2023).

8. S. Sick, S. Reinker, J. Timmer, T. Schlake, WNT e DKK determinam o espaçamento dos folículos capilares através de um mecanismo de reação-difusão. Ciência 3141447-1450 (2006).

9. MC Milinkovitch e outros.As escamas da cabeça do crocodilo não são unidades de desenvolvimento, mas emergem de rachaduras físicas. Ciência 33978-81 (2013).

10. GN Santos-Durán, RL Cooper, E. Jahanbakhsh, GM Timin, Michel. C., Padronização auto-organizada de escamas de cabeça de crocodilo por dobramento compressivo. Natureza, 11 de dezembro de 2024.

11. T. Tallinen e outros.Sobre o crescimento e a forma das circunvoluções corticais. Física da Natureza 12588-593 (2016).

12. AE Tímido e outros.Vilificação: como o intestino obtém suas vilosidades. Ciência 342212-218 (2013).

13. B. Li, Y.-P. Cao, X.-Q. Feng, H. Gao, Enrugamento superficial da mucosa induzido por crescimento volumétrico: Teoria, simulação e experimento. Jornal de Mecânica e Física dos Sólidos 59758-774 (2011).

14. P. Dagenais e outros.A informação posicional mecânica orienta o desenvolvimento auto-organizado de uma rede poligonal de dobras na pele dos narizes dos mamíferos. Curr Biol(2024).

15. B. Li, YP Cao, XQ Feng, HJ Gao, Mecânica de instabilidades morfológicas e enrugamento superficial em materiais macios: uma revisão. Matéria Macia 85728-5745 (2012).

16. AJ Hughes e outros.Dobramento de tecido projetado por compactação mecânica do mesênquima. Célula de desenvolvimento 44165-178 e166 (2018).

17. A. Bailles, EW Gehrels, T. Lecuit, Princípios Mecanoquímicos de Padrões Espaciais e Temporais em Células e Tecidos. Annu Rev Cell Dev Biol 38321-347 (2022).

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