L’endoderma è uno degli strati germinali—aggregati di cellule che si organizzano precocemente durante la vita embrionale e da cui si sviluppano tutti gli organi e i tessuti. Tutti gli animali, ad eccezione delle spugne, formano due o tre strati germinali attraverso un processo noto come gastrulazione. Durante la gastrulazione, una palla di cellule si trasforma in un embrione a due strati costituito da uno strato interno di endoderma e uno strato esterno di ectoderma. Negli organismi più complessi, come i vertebrati, questi due strati germinali primari interagiscono per dare origine a un terzo strato germinale, chiamato mesoderma. Indipendentemente dalla presenza di due o tre strati, l’endoderma è sempre lo strato più interno. L’endoderma forma l’epitelio—un tipo di tessuto in cui le cellule sono strettamente collegate tra loro per formare fogli-che riveste l’intestino primitivo. Da questo rivestimento epiteliale dell’intestino primitivo, si sviluppano organi come il tratto digestivo, il fegato, il pancreas e i polmoni.

Durante le prime fasi della gastrulazione, un gruppo di cellule chiamato mesendoderma esprime insiemi di geni specifici sia per endoderma che per mesoderma. Le cellule nel mesendoderma hanno la capacità di differenziarsi in mesoderma o endoderma, a seconda della loro posizione tra le cellule circostanti. Gli scienziati hanno scoperto che il mesendoderma è diffuso tra gli invertebrati, tra cui il nematode Caenorhabditis elegans e il riccio di mare viola, Strongylocentrotus purpuratus. All’interno dei vertebrati, il mesendoderma è stato trovato nel pesce zebra, Danio rerio, ed è stato indicato nei topi, Mus musculus.

L’endoderma, insieme agli altri due strati germinali, fu scoperto nel 1817 da Christian Pander, uno studente di dottorato presso l’Università di Würzburg, a Würzburg, in Germania. Nella sua dissertazione, Beiträge zur Entwickelungsgeschichte des Hühnchens im Eie (Contributi alla storia dello sviluppo del pollo nell’uovo), Pander ha descritto come due strati danno origine a un terzo nell’embrione di pulcino (Gallus gallus). La descrizione di Pander della formazione di questi strati è il primo resoconto della gastrulazione nel pulcino e ha fondato futuri studi sugli strati germinali. Martin Rathke presso l’Università di Königsberg, a Königsberg, Prussia (poi Polonia), presto trovato prove in un gambero in via di sviluppo, Astacus astacus, dei due strati Pander aveva descritto. La scoperta di Rathke ha segnato la prima scoperta di endoderma ed ectoderma in un invertebrato, ma quell’informazione non è stata ulteriormente studiata per due decenni.

Gli strati germinali attirarono l’attenzione di molti scienziati nel diciannovesimo secolo. Karl Ernst von Baer presso l’Università di Königsberg, esteso il concetto di strati germinali per includere tutti i vertebrati nel suo 1828 testo Über die Entwickelungsgeschichte der Tiere. Beobachtung und Reflexion (Sulla storia dello sviluppo degli animali.Osservazioni e riflessioni). Vent’anni dopo, lo storico della natura Thomas Henry Huxley, in Inghilterra, applicò il concetto di strati germinali di Pander alle meduse. Nel suo articolo del 1849 “On the Anatomy and Affinities of the Family of the Medusae”, Huxley notò che i due strati di cellule che vedeva nelle meduse adulte si relazionavano tra loro allo stesso modo degli strati germinali negli embrioni di pulcino descritti da Pander. L’associazione che Huxley ha fatto tra il piano corporeo della medusa adulta e l’embrione di vertebrati collegava lo studio della crescita e dello sviluppo, chiamato ontogenesi, allo studio delle relazioni tra organismi, chiamato filogenesi. Il supporto di Huxley per una relazione tra ontogenesi e filogenesi, più tardi conosciuta come la teoria della ricapitolazione, sarebbe diventata fondamentale per le opere di scienziati di fine Ottocento, come Charles Darwin, in Inghilterra, e Ernst Haeckel presso l’Università di Jena, a Jena, in Germania. Questi e altri scienziati hanno iniziato a guardare agli embrioni per la prova dell’evoluzione.

Dagli 1860 i ricercatori hanno confrontato gli strati germinali in tutto il regno animale. A partire dal 1864 embriologo Aleksandr Kovalevsky, che ha studiato embriologia presso l’Università di San Pietroburgo, a St. Petersburg, Russia, ha studiato gli invertebrati. La sua ricerca ha dimostrato che gli embrioni invertebrati avevano gli stessi strati germinali primari, endoderma ed ectoderma, come embrioni vertebrati, e che gli strati sono sorti nello stesso modo in tutto il regno animale. Le scoperte di Kovalevsky hanno convinto molti sull’universalità degli strati germinali—un risultato che alcuni scienziati hanno fatto un principio della teoria dello strato germinale. La teoria dello strato germinale sosteneva che ciascuno degli strati germinali, indipendentemente dalla specie, dava origine a un insieme fisso di organi. Questi organi sono stati considerati omologhi in tutto il regno animale, unendo efficacemente ontogenesi con filogenesi. Scienziati come Haeckel in Germania e Edwin Ray Lankester presso l’University College di Londra, a Londra, in Inghilterra convinsero molti ad accettare la teoria dello strato germinale entro la fine del diciannovesimo secolo.

Mentre la teoria dei livelli germinali ha raccolto un ampio supporto, non tutti l’hanno accettata. A partire dalla fine del XIX secolo, embriologi come Edmund Beecher Wilson, negli Stati Uniti, e Wilhelm His e Rudolf Albert von Kölliker, entrambi in Germania, obiettarono all’universalità assoluta degli strati germinali che la teoria richiedeva. Questi oppositori della teoria dello strato germinale appartenevano principalmente a una nuova tradizione di embriologi-coloro che usavano manipolazioni fisiche degli embrioni per lo sviluppo della ricerca. Nel 1920, gli esperimenti di scienziati come Hans Spemann e Hilde Mangold, in Germania, e Sven Hörstadius, in Svezia, hanno portato gli scienziati a smantellare la teoria dello strato germinale.

I primi scienziati del ventesimo secolo hanno cercato di spiegare gli strati germinali in modo più completo studiando come gli embrioni si sono trasformati da una cellula a migliaia di cellule. Tra questi embriologi, Edwin Grant Conklin presso l’Università della Pennsylvania, a Filadelfia, Pennsylvania, è stato uno dei primi a tracciare lignaggi cellulari dallo stadio monocellulare. Nel suo testo del 1905 The Organization and Cell-lineage of the Ascidian Egg, Conklin mappò le divisioni e la successiva specializzazione delle cellule nell’embrione di un ascidio, o squirt di mare, un tipo di invertebrato marino che sviluppa uno strato esterno duro e si aggrappa al fondo del mare. Creando una trama, o una mappa del destino, del percorso di sviluppo di ciascuna delle cellule, Conklin localizzò le cellule precursori, tracciò la formazione di ciascuno degli strati germinali e mostrò che anche nelle primissime fasi dello sviluppo, la capacità di alcune cellule di differenziarsi diventa limitata.

Gli esperimenti di mappatura del destino di Conklin, insieme a domande sulla capacità delle cellule di differenziarsi, hanno influenzato scienziati come Robert Briggs, presso l’Indiana University di Bloomington, Indiana, e il suo collaboratore, Thomas King, presso l’Institute for Cancer Research di Philadelphia, in Pennsylvania. Nel 1950 Briggs e King iniziarono una serie di esperimenti per testare la capacità di sviluppo di cellule ed embrioni. Nel 1957 Briggs e King trapiantarono nuclei dal presunto endoderma della rana leopardo settentrionale, Rana pipiens, in uova da cui avevano rimosso i nuclei. Questa tecnica, che Briggs e King hanno contribuito a creare, chiamata trapianto nucleare, ha permesso loro di esplorare i tempi della differenziazione cellulare e la tecnica è diventata una base per futuri esperimenti di clonazione. Dai loro esperimenti di trapianto nucleare, Briggs e King hanno scoperto che durante la differenziazione endodermica, la capacità del nucleo di aiutare le cellule a specializzarsi diventa progressivamente limitata. Questo risultato è stato sostenuto nel 1960 dal lavoro di John Gurdon, presso l’Università di Oxford a Oxford, in Inghilterra. Gurdon ha ricreato gli esperimenti di Briggs e King usando la rana artigliata africana, Xenopus laevis, e Gurdon ha scoperto che ci sono differenze significative tra le specie nel tasso e nella tempistica di insorgenza di queste restrizioni endodermiche.

Mentre Briggs, King e Gurdon lavoravano per comprendere la restrizione dei destini delle cellule endodermiche, altri scienziati, come Pieter Nieuwkoop, presso la Royal Netherlands Academy of Arts and Science, a Utrecht, in Olanda, hanno studiato la formazione degli strati germinali. Nel 1969 Nieuwkoop pubblicò un articolo, ” La formazione del Mesoderma negli anfibi urodelei. I. Induzione dall’endoderma”, in cui ha esaminato le interazioni dell’endoderma e dell’ectoderma. Nieuwkoop divise gli embrioni della salamandra, Ambystoma mexicanum, in regioni di endoderma presuntivo e ectoderma presuntivo. Quando lasciato a svilupparsi in isolamento, il mesoderma non si formò. Ma quando ha ricombinato i due tessuti, l’endoderma ha indotto la formazione di mesoderma nelle regioni adiacenti dell’ectoderma.

anche se gli scienziati hanno tracciato il destino dell’endoderma, studiato la capacità di endodermico le cellule a differenziarsi, e hanno esaminato l’induzione di potenziali di tali cellule, non indagare le vie molecolari che specificano e modello endoderma fino al 1990. Da questi studi è emersa la teoria che materna segnali, o gli effetti dello sviluppo che la madre contribuisce all’uovo prima della fecondazione, agiscono attraverso tre principali famiglie di geni codificanti proteine per aiutare a regolare la differenziazione precoce dell’endoderma. Questi segnali sono proteine β-catenina, VegT e Otx. I percorsi molecolari coinvolti nelle fasi successive della differenziazione e del pattern degli endodermi sono diversi tra le specie, in particolare i fattori di trascrizione o le proteine che aiutano a regolare l’espressione genica. I fattori GATA in particolare sono espressi nel mesendoderma e sono necessari per differenziare l’endoderma. Mentre ci sono alcuni elementi genetici conservati in tutto il regno animale, come la β-catenina, alcune porzioni della via di induzione dell’endoderma, in particolare i segnali come le proteine Nodali e Wnt, sono specifici dei vertebrati. Nel 2002 Eric Davidson ei suoi colleghi del California Institute of Technology di Pasadena, California, hanno annunciato la rete completa di geni che regolano la specifica di endoderma e mesoderma nei ricci di mare nel loro documento, ” A Genomic Regulatory Network for Development.”Davidson ha confermato che rete di geni in un articolo co-autore pubblicato nel 2012.