Hoe ontwikkelden vissen hun benige, geschubde pantser?

Ongeveer 350 miljoen jaar geleden waren jullie evolutionaire voorouders – en de voorouders van alle moderne gewervelde dieren – gewoon zachtaardige oceaandieren. Om te overleven en te evolueren tot wat we nu zijn, hadden deze dieren enige bescherming en voordelen nodig ten opzichte van oceaanroofdieren, die toen werden gedomineerd door schaaldieren.

De evolutie van leerachtig pantser, zoals de scherpe stekels die gevonden worden op gepantserde meervallen of de ruitvormige, benige schubben die schubben worden genoemd en die steuren bedekken, was een succesvolle strategie. Duizenden vissoorten gebruiken verschillende soorten dermale schilden, bestaande uit bot en/of een materiaal dat dentine wordt genoemd, een belangrijk onderdeel van moderne menselijke tanden. De beschermende coatings hielpen dergelijke gewervelde dieren te overleven en te evolueren tot nieuwe dieren en uiteindelijk tot mensen.

Maar waar komt dit schild vandaan? Hoe evolueerden onze oude onderwatervoorouders om deze beschermende laag te laten groeien?

Nu, met behulp van steur, heeft een nieuwe studie aangetoond dat een specifieke groep stamcellen, genaamd stomp neurale topcellen, verantwoordelijk is voor de ontwikkeling van het osteosarcoom in de vis. Het werk werd uitgevoerd door Jan Standell, nu een Marie Sklodowska-Curie postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Marianne Brunner, de Edward B. Lewis hoogleraar Biologie en directeur van het Beckman Institute in Caltech. In het tijdschrift verschijnt een artikel waarin het onderzoek wordt beschreven Procedures van de National Academy of Sciences Op 17 juli.

Het laboratorium van Brunner is al lang geïnteresseerd in het bestuderen van neurale lijstcellen. Deze cellen worden aangetroffen in alle gewervelde dieren, inclusief vissen, kippen en wijzelf, en ze specialiseren zich op basis van het feit of ze afkomstig zijn uit delen van het hoofd (de schedel) of het ruggenmerg (de romp). Zowel de craniale als de rompcellen van de neurale lijst migreren vanaf hun startpunten door het lichaam van het zich ontwikkelende dier, waardoor de cellen ontstaan ​​​​die de kaken, het hart en andere belangrijke structuren vormen.

Nadat een onderzoek uit 2017 van de Universiteit van Cambridge aantoonde dat neurale stamcellen aanleiding geven tot een op ivoor gebaseerd huidschild in een vissoort die kleine schaatsen wordt genoemd, veronderstelden Stundell en zijn collega’s dat dezelfde reeks cellen ook bot zou kunnen veroorzaken. – Pantser gebaseerd op grootschalige gewervelde dieren.

Om dit te bestuderen, wendden Stundl en het team zich tot steur, met name de sterletsteur (Acipenser ruthenus). Moderne steur, bekend om het produceren van ’s werelds duurste kaviaar, heeft nog steeds veel van dezelfde kenmerken als hun voorouders miljoenen jaren geleden. Dit maakt ze tot uitstekende kandidaten voor evolutionaire studies.

Stundl en zijn team gebruikten steurembryo’s die waren gekweekt bij het Research Institute of Fish Breeding and Aquatic Biology in de Tsjechische Republiek en gebruikten een fluorescerende kleurstof om te volgen hoe de neurale topcellen van de romp van de vis door zijn zich ontwikkelende lichaam migreren. Steuren beginnen hun gehoorbeentjes na twee weken te ontwikkelen, dus de onderzoekers hielden de zich ontwikkelende vissen in een donker laboratorium zodat ze de fluorescerende kleurstof niet met licht zouden verstoren.

Het team vond fluorescerend gelabelde stamcellen van de neurale lijst op de exacte plaatsen waar de gehoorbeentjes van de steur zich vormden. Daarna gebruikten ze een andere techniek om de osteoblasten van de vis te benadrukken, een soort cel die bot vormt. Genesignaturen geassocieerd met osteoblastdifferentiatie werden gevonden in fluorescerende cellen in zich ontwikkelende vissenschubben, wat sterk bewijs levert dat de neurale topcellen van de romp in feite aanleiding geven tot osteogene cellen.

Gecombineerd met bevindingen uit 2017 over de rol van neurale lijstcellen bij de vorming van een op dentine gebaseerd schild, toont het werk aan dat dendritische neurale lijstcellen inderdaad verantwoordelijk zijn voor de opkomst van het ectodermale-osseuze schild dat het evolutionaire succes van gewervelde vissen mogelijk maakte.

“Werken met niet-modelorganismen is een uitdaging; hulpmiddelen voor standaard laboratoriumorganismen zoals de muis of de zebravis werken niet of moeten sterk worden aangepast”, zegt Stündl. “Ondanks deze uitdagingen stelt informatie van niet-modelorganismen zoals steur ons in staat om fundamentele evolutionaire biologievragen op een rigoureuze manier te beantwoorden.”

“Door de vele dieren op de boom des levens te bestuderen, kunnen we de evolutionaire gebeurtenissen afleiden die plaatsvonden”, zegt Bruner. “Dit is vooral krachtig als we evolutionaire vragen kunnen benaderen vanuit het perspectief van evolutionaire biologie, omdat veel van de veranderingen die tot verschillende soorten cellen leiden, plaatsvonden door kleine wijzigingen in de embryonale ontwikkeling.”

Het artikel is getiteld “Ancient Vertebrate Skin Shield Evolution from the Trunk Neural Crest”.