Как рыбы обрели костный чешуйчатый доспех
Около 350 миллионов лет назад эволюционные предки современных позвоночных были мягкотелыми животными в океанах. Чтобы выжить, им потребовалась защита от хищников, вроде ракообразных.
Эволюция кожного панциря — острых шипов сома или ромбовидных костных чешуй (жучков) осетра — стала успешной стратегией. Тысячи видов рыб использовали различные типы такой брони из кости и/или дентина (компонента зубов человека). Эта защита помогла позвоночным выжить и эволюционировать.
Новое исследование на осетровых рыбах показало, что за развитие костных жучков отвечает специфическая популяция стволовых клеток — стволовые клетки нервного гребня туловища. Работу провёл Ян Штундл в лаборатории Марианны Броннер в Калтехе. Статья опубликована в PNAS 17 июля.
Лаборатория Броннер давно изучает клетки нервного гребня. Эти клетки, встречающиеся у всех позвоночных, специализируются в зависимости от происхождения из головной или туловищной области и мигрируют по телу, давая начало структурам вроде челюстей и сердца.
После исследования 2017 года (Кембридж), показавшего, что клетки нервного гребня туловища дают начало дентиновой броне у малого ската, Штундл и коллеги предположили, что эти же клетки могут формировать и костную броню у позвоночных в целом.
Для проверки они использовали стерлядь (Acipenser ruthenus). Современные осетры сохранили многие черты древних предков, что делает их идеальными для эволюционных исследований.
Используя эмбрионы стерляди, выращенные в Чехии, команда пометила клетки нервного гребня туловища флуоресцентным красителем, чтобы отследить их миграцию. Осетры начинают формировать жучки через несколько недель, поэтому рыб выращивали в темноте, чтобы не погасить свечение.
Меченые клетки были обнаружены точно в местах формирования костных жучков. Затем, используя другую технику, учёные выявили остеобласты — клетки, формирующие кость. Генетические сигнатуры дифференцировки остеобластов были найдены в меченых клетках в развивающихся жучках. Это даёт веские доказательства, что клетки нервного гребня туловища действительно дают начало костеобразующим клеткам.
Вместе с данными 2017 года о роли этих клеток в формировании дентиновой брони, работа показывает, что стволовые клетки нервного гребня туловища ответственны за развитие костного кожного панциря, обеспечившего эволюционный успех позвоночных рыб.
"Работа с немодельными организмами сложна... Однако информация от таких организмов, как осётр, позволяет нам строго отвечать на фундаментальные вопросы эволюционной биологии развития", — говорит Ян Штундл.
"Изучая многих животных на древе жизни, мы можем сделать выводы об эволюционных событиях. Это особенно эффективно, если подходить к эволюционным вопросам с точки зрения биологии развития, поскольку многие изменения, приведшие к разнообразию типов клеток, произошли путём небольших изменений в эмбриональном развитии", — говорит Марианна Броннер.