A vida secreta dos dentes: modelos Evo-Devas de desenvolvimento dentário

April 11, 2018, Arizona State University

Chimbal de chimpanzé renderizado por TC (à esquerda) com imagem ampliada de um molar virtualmente extraído (meio). A camada externa, chamada esmalte, torna-se transparente revelando a paisagem tridimensional do núcleo da dentina subjacente de um molar. A localização de células de sinalização embrionárias que determinarão a posição futura da cúspide é indicada por esferas amarelas (meio). A distribuição desses centros de sinalização através da paisagem dentária é medida como uma série de distâncias intercuspostas (setas vermelhas na direita, no topo), que determinam o número de cúspides que finalmente se desenvolverá através de uma coroa molar, bem como a quantidade de terreno mapeada. por cada cúspide (linhas tracejadas na direita, na parte inferior). Credit: Alejandra Ortiz and Gary Schwartz

Do outro lado do mundo dos mamíferos, os dentes vêm em todos os tipos de formas e tamanhos. Seu tamanho e forma particulares são o processo de milhões de anos de aperfeiçoamento evolutivo para produzir dentes que podem efetivamente quebrar os alimentos na dieta de um animal. Como resultado, os mamíferos que estão intimamente relacionados e têm um menu semelhante tendem a ter dentes que parecem bastante semelhantes. Nova pesquisa sugere, no entanto, que essas semelhanças só podem ser "profundas"." 

Os dentes na parte de trás de nossas bocas - os molares - têm uma série de inchaços, sulcos e ranhuras na superfície da mastigação. Essa complexa paisagem dentária é o produto do arranjo espacial das cúspides, que são projeções cônicas superficiais que esmagam os alimentos antes de serem engolidos. Quantas cúspides existem, como estão posicionadas, e que tamanho e forma elas formam juntas determinam a forma ou configuração geral do nosso molar.

Ao longo do curso da evolução hominina (os humanos modernos e seus ancestrais fósseis), os molares mudaram marcadamente em sua configuração, com alguns grupos desenvolvendo cúspides maiores e outros evoluindo molares com uma bateria de cúspides extras menores. O mapeamento dessas mudanças gerou percepções poderosas sobre nossa compreensão da história moderna da população humana. Até nos permitiu identificar novas espécies de hominídeos fósseis, às vezes apenas restos de dentes fragmentados, e reconstruir quais espécies estão mais relacionadas a quem. Exatamente como algumas populações de humanos modernos e algumas espécies de hominídeos fósseis desenvolveram molares complexos com muitas cúspides de tamanhos variados, enquanto outros evoluíram com configurações molares mais simplificadas, no entanto, é desconhecido.

Em um estudo publicado esta semana na Science Advances, uma equipe internacional de pesquisadores do Instituto de Origens Humanas da Universidade do Arizona e Escola de Evolução Humana e Mudança Social, Universidade de Nova York, Universidade de Kent, e do Instituto Max Planck de Antropologia Evolutiva descobriu que uma regra de desenvolvimento simples e direta - a "cascata de padronização" - é poderosa o suficiente para explicar a enorme variabilidade na configuração da coroa dos molares nos últimos 15 milhões de anos de macacos e na evolução humana.

"Em vez de invocar cenários grandes e complicados para explicar as maiores mudanças na evolução dos molares durante o curso das origens hominíneas, descobrimos que ajustes simples e alterações a essa regra de desenvolvimento podem explicar a maioria dessas mudanças", diz Alejandra Ortiz, pós-doutoranda. pesquisador do Instituto de Origens Humanas da Universidade do Estado do Arizona e principal autor do estudo. Na última década, a compreensão dos pesquisadores sobre o desenvolvimento da cúspide dos molares aumentou cem vezes. 

 

Eles agora sabem que a formação dessas cúspides é governada por um processo molecular que começa em um estágio embrionário inicial. Baseado no trabalho experimental em camundongos, o modelo de cascata de padronização prevê que a configuração molar é determinada principalmente pela distribuição espacial e temporal de um conjunto de células de sinalização.

Aglomerados de células de sinalização (e suas cúspides resultantes) que se desenvolvem mais cedo influenciam fortemente a expressão das cúspides que se desenvolvem mais tarde. Esse efeito em cascata pode resultar em um aumento no tamanho e no número de cúspides adicionais ou em restringir seu desenvolvimento para produzir cúspides menores e menores. Se esse tipo de fenômeno simples de catraca de desenvolvimento poderia explicar o vasto conjunto de configurações molares presentes entre os macacos e a ancestralidade humana era desconhecido. Usando a tecnologia de tomografia computadorizada e microcomputação digital de última geração aplicada a centenas de fósseis e molares recentes, Ortiz e seus colegas criaram mapas virtuais da paisagem dentária de dentes em desenvolvimento para mapear a localização precisa de células de sinalização embrionária das quais os molares as cúspides se desenvolvem. Para a grande surpresa da equipe de pesquisadores, as previsões do modelo não foram apenas para os humanos modernos, mas para mais de 17 espécies de macacos e hominídeos espalhados por milhões de anos de evolução e diversificação de primatas.

"O modelo não apenas funciona para explicar as diferenças no design de molares básicos, mas também é poderoso o suficiente para prever com precisão a variedade de variantes em tamanho, forma e presença de cúspides adicionais, das mais sutis às mais extremas, para a maioria dos macacos". hominídeos fósseis e humanos modernos ", diz Ortiz.

Esses resultados se encaixam com um crescente corpo de trabalho dentro da biologia desenvolvimental evolucionista que as regras de desenvolvimento simples e diretas são responsáveis ​​pela geração da miríade de complexidade das características dentárias encontradas nos dentes dos mamíferos. "O resultado mais emocionante foi o quão bem nossos resultados se encaixam com uma visão emergente de que a evolução do co

"O modelo não apenas funciona para explicar as diferenças no design de molares básicos, mas também é poderoso o suficiente para prever com precisão a variedade de variantes em tamanho, forma e presença de cúspides adicionais, das mais sutis às mais extremas, para a maioria dos macacos". hominídeos fósseis e humanos modernos ", diz Ortiz.

Este novo estudo está de acordo com a visão de que alterações simples e sutis nas maneiras como os genes codificam para características complexas podem resultar na vasta gama de diferentes configurações dentais que vemos através dos hominídeos e nossos primos símios. Faz parte de uma mudança em nossa compreensão de como a seleção natural pode rápida e rapidamente gerar uma nova anatomia adequada a uma função específica. "Que todas essas informações precisas e detalhadas estão contidas em seus dentes", continuou Schwartz, "até os dentes de nossos parentes fósseis há muito extintos são simplesmente notáveis".

"Nossa pesquisa, demonstrando que uma única regra de desenvolvimento pode explicar a variação incontável que observamos em mamíferos, também significa que devemos ter cuidado ao inferir relações de espécies extintas baseadas em formas compartilhadas", disse Shara Bailey, coautora e paleoantropologista da Universidade de Nova York. . "Está ficando mais claro que as semelhanças na forma dos dentes podem não indicar necessariamente a ancestralidade compartilhada recente", acrescentou Bailey.

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More information: Alejandra Ortiz, Shara E. Bailey, Gary T. Schwartz, Jean-Jacques Hublin, Matthew M. Skinner. (2018) Evo-devo models of tooth development and the origin of hominoid molar diversity. Science Advances. advances.sciencemag.org/content/4/4/eaar2334