Jak si ryby vyvinuly svůj šupinatý kostnatý krunýř?

Asi před 350 miliony let byli vaši evoluční předkové – a předkové všech moderních obratlovců – jen živočichové žijící v oceánech s měkkým tělem. Aby tato zvířata přežila a vyvinula se v to, čím jsme dnes, potřebovala mít určitou ochranu a výhody oproti oceánským predátorům, kterým tehdy dominovali korýši.

Evoluce koženého brnění, jako jsou ostré ostny na obrněných sumcích nebo kostnaté šupiny ve tvaru diamantu zvané šupiny, které pokrývají jesetery, byla úspěšná strategie. Tisíce druhů ryb používají různé styly dermálních štítů, které se skládají z kosti a/nebo materiálu zvaného dentin, který je důležitou součástí moderních lidských zubů. Ochranné povlaky pomohly takovým obratlovcům přežít a vyvinout se v nová zvířata a nakonec v lidi.

Ale kde se vzal tento štít? jak Vyvinuli se naši dávní předkové pod vodou, aby si vypěstovali tento ochranný plášť?

Nyní pomocí jesetera nová studie zjistila, že za vývoj osteosarkomu u ryb je zodpovědná specifická skupina kmenových buněk, nazývané buňky neurální lišty pahýlu. Práci vedl Jan Standell, nyní postdoktorand s Marií Sklodowskou-Curie v laboratoři Marian BrunerProfesor biologie na Edward B. Lewis a ředitel Beckmanova institutu na Caltechu. V časopise se objevuje článek popisující výzkum Proceedings of the National Academy of Sciences 17. července.

Brunnerova laboratoř se již dlouho zajímá o studium buněk neurální lišty. Tyto buňky se nacházejí u všech obratlovců včetně ryb, kuřat a nás samotných a specializují se na to, zda pocházejí z oblastí hlavy (lebka) nebo míchy (trupu). Buňky lebeční i kmenové neurální lišty migrují ze svých výchozích bodů po celém vyvíjejícím se zvířecím těle, čímž vznikají buňky, které tvoří čelisti, srdce a další důležité struktury. Poté, co studie z University of Cambridge z roku 2017 ukázala, že neurální kmenové buňky dávají vzniknout kožnímu štítu na bázi slonoviny u druhu ryb zvaného drobné brusle, Stundell a jeho kolegové předpokládali, že ze stejného souboru buněk může také vzniknout kost. – Brnění založené na velkých obratlovcích.

Aby to prostudoval, Stundl a tým se obrátili na jesetera, konkrétně jesetera jesetera (Acipenser Ruthenos). Moderní jeseter, známý produkcí nejdražšího kaviáru na světě, má stále mnoho stejných vlastností jako jejich předci před miliony let. To z nich dělá hlavní kandidáty na evoluční studie.

Pomocí embryí jesetera vykultivovaných ve Výzkumném ústavu chovu ryb a vodní biologie v České republice Stundl a jeho tým pomocí fluorescenčního barviva sledovali, jak buňky neurální lišty rybího chobotu migrují po celém jejím vyvíjejícím se těle. Jeseteři začnou vyvíjet své kůstky po dvou týdnech, takže výzkumníci udržovali vyvíjející se ryby v temné laboratoři, aby nerušili fluorescenční barvivo světlem.

Tým našel fluorescenčně značené kmenové buňky neurální lišty přesně v místech, kde se tvořily kůstky jesetera. Pak použili jinou techniku ​​ke zvýraznění osteoblastů, což je typ buňky, která tvoří kost. Genové podpisy spojené s diferenciací osteoblastů byly nalezeny ve fluorescenčních buňkách ve vyvíjejících se rybích šupinách, což poskytuje silný důkaz, že buňky neurální lišty ve stonku ve skutečnosti dávají vznik osteogenním buňkám. V kombinaci se zjištěními z roku 2017 o úloze buněk neurální lišty při tvorbě štítu na bázi dentinu práce ukazuje, že dendritické buňky neurální lišty jsou skutečně zodpovědné za vznik dermálně-kostního štítu, který umožnil evoluční úspěch obratlovců.

„Práce s nemodelovými organismy je náročná; nástroje na standardních laboratorních organismech, jako je myš nebo zebřička, buď nefungují, nebo je třeba je vysoce přizpůsobit,“ říká Stündl. „Navzdory těmto výzvám nám informace od nemodelových organismů, jako je jeseter, umožňují důsledně odpovídat na základní otázky evoluční biologie.“

„Studiem mnoha zvířat na stromě života můžeme odvodit evoluční události, které se odehrály,“ říká Bruner. „To je obzvláště silné, pokud dokážeme přistupovat k evolučním otázkám z pohledu evoluční biologie, protože k mnoha změnám, které vedou k různým typům buněk, došlo prostřednictvím malých modifikací v embryonálním vývoji. Měli jsme velké štěstí, že jsme získali finanční prostředky z Caltech Center na Evoluční vědy, které umožňují studie tohoto druhu.“

Caltech centrum pro evoluční vědy (CES) je víceodborová organizace v rámci celého institutu, která uznává a podporuje výzkum evolučních změn v přírodním světě prostřednictvím biotických i antropogenních sil.

„Evoluce je ústředním tématem, které prochází celou biologií; spojuje naši disciplínu,“ říká. Joe ParkerChen Scholar, odborný asistent biologie a biologického inženýrství a zástupce ředitele CES. „Caltech je skvělé místo s mnoha skupinami, které sledují evoluční problémy v různých kontextech, včetně rozhraní vývojové biologie a evoluce – jak tato studie velmi krásně ukazuje.“

Název příspěvku je „Starověký kožní štít obratlovců se vyvinul z neurální kmenové lišty“. Kromě Brunnera a Stundella jsou spoluautory Caltechu bývalá postdoktorská výzkumnice Megan Martic, nyní na UC Berkeley, a postdoktorandský výzkumník Desingo Ayappa Raja. Dalšími spoluautory jsou Donglei Chen, Tatjana Haitina a Per Ahlberg z Uppsalské univerzity v Uppsale ve Švédsku. Roman Franch a Martin Psińska z Jihočeské univerzity v ČR; Anna Pospíšilová a Robert Černý z Univerzity Karlovy v Praze, Česká republika; Brian Mitscher z Vídeňské univerzity v Rakousku; a Ingo Braasch z Michigan State University. Financování bylo poskytnuto prostřednictvím programu Evropské unie pro výzkum a inovace Horizon 2020; Národní institut zdraví; Wallenbergovo stipendium od Nadace Knut & Alice Wallenberg; Nadace Helen Hay Whitney; Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy ČR; Grantová agentura ČR; a National Science Foundation.

Bruner a Parker jsou přidruženými členy fakulty Tianqiao a Chrissie Chen Institute of Neurosciences na Caltech.