Cum și-au dezvoltat peștii armura osoasă și solzoasă?

Cu aproximativ 350 de milioane de ani în urmă, strămoșii voștri evolutivi – și strămoșii tuturor vertebratelor moderne – au fost doar animale cu corp moale, care locuiau pe ocean. Pentru a supraviețui și a evolua în ceea ce suntem astăzi, aceste animale trebuiau să aibă o anumită protecție și avantaje față de prădătorii oceanici, care erau apoi dominați de crustacee.

Evoluția armurii piele, cum ar fi tepii ascuțiți găsiți pe somnul blindat sau solzii osoși în formă de romb numiti solzi care acoperă sturionii, a fost o strategie de succes. Mii de specii de pești folosesc diferite stiluri de scuturi dermice, constând din os și/sau un material numit dentină, o componentă importantă a dinților umani moderni. Învelișurile protectoare au ajutat astfel de vertebrate să supraviețuiască și să evolueze în noi animale și, în cele din urmă, în oameni.

Dar de unde a venit acest scut? Cum au evoluat strămoșii noștri străvechi subacvatici pentru a crește această haină de protecție?

Acum, folosind sturioni, un nou studiu a descoperit că un grup specific de celule stem, numite celule ale crestei neurale ciot, sunt responsabile pentru dezvoltarea osteosarcomului la pești. Lucrarea a fost condusă de Jan Standell, acum cercetător postdoctoral Marie Sklodowska-Curie în laboratorul lui Marianne Brunner, profesor de biologie Edward B. Lewis și director al Institutului Beckman de la Caltech. O lucrare care descrie cercetarea apare în jurnal Proceedings of the National Academy of Sciences Pe 17 iulie.

Laboratorul lui Brunner a fost mult timp interesat de studiul celulelor crestei neurale. Aceste celule se găsesc la toate vertebratele, inclusiv peștele, puiul și noi înșine, și se specializează în funcție de faptul dacă apar din zone ale capului (craniul) sau din măduva spinării (trunchi). Atât celulele crestei neurale ale craniei, cât și ale trunchiului migrează din punctele lor de plecare în tot corpul animalului în curs de dezvoltare, dând naștere celulelor care alcătuiesc maxilarele, inima și alte structuri importante.

După ce un studiu din 2017 de la Universitatea din Cambridge a arătat că celulele stem neuronale dau naștere unui scut cutanat pe bază de fildeș la o specie de pești numite patine mici, Stundell și colegii săi au emis ipoteza că același set de celule ar putea da naștere și la os. – Armură bazată pe vertebrate la scară mare.

Pentru a studia acest lucru, Stundl și echipa au apelat la sturion, în special la sturionul sterlet (Acipenser ruthenus). Sturionii moderni, cunoscuți pentru producerea celui mai scump caviar din lume, au încă multe dintre aceleași caracteristici ca strămoșii lor cu milioane de ani în urmă. Acest lucru îi face candidați principali pentru studii evoluționiste.

Folosind embrioni de sturion cultivați la Institutul de Cercetare pentru Creșterea Peștilor și Biologie Acvatică din Republica Cehă, Stundl și echipa sa au folosit un colorant fluorescent pentru a urmări modul în care celulele crestei neurale ale trunchiului peștelui migrează în corpul său în curs de dezvoltare. Sturionii încep să-și dezvolte osiculele după două săptămâni, așa că cercetătorii au ținut peștii în curs de dezvoltare într-un laborator întunecat, astfel încât să nu deranjeze colorantul fluorescent cu lumină.

Echipa a descoperit celule stem ale crestei neurale marcate fluorescent in locurile exacte in care se formau osculetele sturionului. Apoi au folosit o tehnică diferită pentru a evidenția osteoblastele, un tip de celulă care formează os. Semnăturile genelor asociate cu diferențierea osteoblastelor au fost găsite în celulele fluorescente din solzii de pește în curs de dezvoltare, oferind dovezi puternice că celulele crestei neurale ale stemului dau de fapt naștere la celule osteogene.

În combinație cu descoperirile din 2017 privind rolul celulelor crestei neurale în formarea unui scut pe bază de dentine, munca arată că celulele dendritice ale crestei neurale sunt într-adevăr responsabile pentru apariția scutului ectodermo-os care a permis succesul evolutiv al peștilor vertebrate.

„Lucrul cu organisme non-model este o provocare; instrumentele pe organisme standard de laborator, cum ar fi șoarecele sau peștele zebra, fie nu funcționează, fie trebuie să fie foarte adaptate”, spune Stündl. „În ciuda acestor provocări, informațiile de la organisme non-model, cum ar fi sturionii, ne permit să răspundem la întrebări fundamentale de biologie evolutivă într-un mod riguros”.

„Studiind numeroasele animale de pe arborele vieții, putem deduce evenimentele evolutive care au avut loc”, spune Bruner. „Acest lucru este deosebit de puternic dacă putem aborda întrebările evolutive din perspectiva biologiei evoluționiste, deoarece multe dintre schimbările care duc la diferite tipuri de celule au avut loc prin mici modificări în dezvoltarea embrionară”.

Lucrarea se intitulează „Evoluția scutului antic al pielii vertebratelor din creasta neuronală a trunchiului”.