Как у рыб развился костный чешуйчатый панцирь?

Около 350 миллионов лет назад ваши эволюционные предки — и предки всех современных позвоночных — были просто обитателями океана с мягким телом. Чтобы выжить и эволюционировать в то, чем мы являемся сегодня, этим животным нужно было иметь некоторую защиту и преимущества перед океанскими хищниками, в которых тогда доминировали ракообразные.

Эволюция кожистых доспехов, таких как острые шипы, встречающиеся у панцирных сомов, или ромбовидные костяные чешуи, называемые чешуей, покрывающие осетровых, была успешной стратегией. Тысячи видов рыб используют кожные щитки различных типов, состоящие из кости и/или материала, называемого дентином, который является важным компонентом зубов современного человека. Защитные покрытия помогли таким позвоночным выжить и эволюционировать в новых животных и, в конечном итоге, в людей.

Но откуда взялся этот щит? Как эволюционировали наши древние подводные предки, чтобы вырастить этот защитный слой?

Теперь, используя осетра, новое исследование показало, что определенная группа стволовых клеток, называемых клетками культи нервного гребня, ответственна за развитие остеосаркомы у рыб. Работу проводил Ян Станделл, ныне научный сотрудник Марии Склодовской-Кюри в лаборатории Марианны Бруннер, профессора биологии Эдварда Б. Льюиса и директора Института Бекмана в Калифорнийском технологическом институте. Статья с описанием исследования опубликована в журнале Труды Национальной академии наук 17 июля.

Лаборатория Бруннера давно занимается изучением клеток нервного гребня. Эти клетки есть у всех позвоночных, включая рыбу, курицу и нас самих, и они специализируются в зависимости от того, возникают ли они из областей головы (череп) или спинного мозга (туловище). Как черепные, так и туловищные клетки нервного гребня мигрируют из своих начальных точек по всему телу развивающегося животного, давая начало клеткам, из которых состоят челюсти, сердце и другие важные структуры.

После того как исследование, проведенное в 2017 году в Кембриджском университете, показало, что нервные стволовые клетки дают начало кожному щитку на основе слоновой кости у вида рыб, называемых крошечными скатами, Станделл и его коллеги выдвинули гипотезу, что тот же набор клеток может также дать начало кости. — Броня на основе крупных позвоночных.

Чтобы изучить это, Штундл и команда обратились к осетровым, в частности к стерляди (Acipenser ruthenus). Современный осетр, известный тем, что производит самую дорогую в мире икру, по-прежнему обладает многими характеристиками своих предков миллионы лет назад. Это делает их главными кандидатами для эволюционных исследований.

Используя эмбрионы осетровых, выращенные в Научно-исследовательском институте рыбоводства и водной биологии в Чешской Республике, Штундл и его команда использовали флуоресцентный краситель, чтобы проследить, как клетки нервного гребня туловища рыбы мигрируют по ее развивающемуся телу. Осетровые начинают развивать свои косточки через две недели, поэтому исследователи держали развивающихся рыб в темной лаборатории, чтобы они не мешали флуоресцентному красителю светом.

Команда обнаружила флуоресцентно помеченные стволовые клетки нервного гребня именно в тех местах, где формировались косточки осетра. Затем они использовали другую технику, чтобы выделить остеобласты рыбы, которые представляют собой тип клеток, образующих кости. Генные сигнатуры, связанные с дифференцировкой остеобластов, были обнаружены во флуоресцентных клетках в развивающихся рыбьих чешуях, что является убедительным доказательством того, что клетки нервного гребня в стебле фактически дают остеогенные клетки.

В сочетании с выводами 2017 года о роли клеток нервного гребня в формировании щита на основе дентина работа показывает, что дендритные клетки нервного гребня действительно ответственны за появление кожно-костного щитка, который обеспечил эволюционный успех позвоночных рыб.

«Работа с немодельными организмами сложна; инструменты для стандартных лабораторных организмов, таких как мыши или рыбки данио, либо не работают, либо нуждаются в высокой степени адаптации», — говорит Штюндль. «Несмотря на эти проблемы, информация о немодельных организмах, таких как осетровые, позволяет нам строго ответить на фундаментальные вопросы эволюционной биологии».

«Изучая многих животных на древе жизни, мы можем сделать вывод об эволюционных событиях, которые имели место», — говорит Брунер. «Это особенно мощно, если мы сможем подойти к эволюционным вопросам с точки зрения эволюционной биологии, потому что многие изменения, которые привели к различным типам клеток, произошли в результате небольших модификаций в эмбриональном развитии».

Статья называется «Эволюция кожного щита древних позвоночных из гребня нервного ствола».