Wie haben Fische ihren knöchernen, schuppigen Panzer entwickelt?

Vor etwa 350 Millionen Jahren waren Ihre evolutionären Vorfahren – und die Vorfahren aller modernen Wirbeltiere – nur Meerestiere mit weichem Körper. Um zu überleben und uns zu dem zu entwickeln, was wir heute sind, mussten diese Tiere einen gewissen Schutz und Vorteile gegenüber Meeresräubern haben, die damals von Krebstieren dominiert wurden.

Die Entwicklung ledriger Rüstungen, wie etwa der scharfen Stacheln von Panzerwelsen oder der rautenförmigen, knöchernen Schuppen, die Störe bedecken, war eine erfolgreiche Strategie. Tausende Fischarten verwenden unterschiedliche Arten von Hautschutzschilden, die aus Knochen und/oder einem Material namens Dentin bestehen, einem wichtigen Bestandteil moderner menschlicher Zähne. Die Schutzschichten halfen diesen Wirbeltieren zu überleben und sich zu neuen Tieren und schließlich zu Menschen zu entwickeln.

Aber woher kam dieser Schild? Wie haben sich unsere alten Unterwasservorfahren entwickelt, um diesen Schutzmantel wachsen zu lassen?

Nun hat eine neue Studie an Stören herausgefunden, dass eine bestimmte Gruppe von Stammzellen, sogenannte Neuralleistenstumpfzellen, für die Entwicklung des Osteosarkoms bei den Fischen verantwortlich sind. Die Arbeit wurde von Jan Standell durchgeführt, jetzt Marie-Sklodowska-Curie-Postdoktorand im Labor von Marianne Brunner, der Edward B. Lewis-Professorin für Biologie und Direktorin des Beckman Institute am Caltech. In der Zeitschrift erscheint ein Artikel, der die Forschung beschreibt Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften Am 17. Juli.

Brunners Labor interessiert sich seit langem für die Untersuchung von Zellen der Neuralleiste. Diese Zellen kommen in allen Wirbeltieren vor, einschließlich Fischen, Hühnern und uns selbst, und sie spezialisieren sich je nachdem, ob sie aus Bereichen des Kopfes (dem Schädel) oder des Rückenmarks (dem Rumpf) stammen. Sowohl kraniale als auch Rumpf-Neuralleistenzellen wandern von ihren Ausgangspunkten durch den Körper des sich entwickelnden Tieres und bilden die Zellen, aus denen der Kiefer, das Herz und andere wichtige Strukturen bestehen.

Nachdem eine Studie der Universität Cambridge aus dem Jahr 2017 gezeigt hatte, dass neuronale Stammzellen bei einer Fischart namens „Kleine Rochen“ einen Hautschutz auf Elfenbeinbasis bilden, stellten Stundell und seine Kollegen die Hypothese auf, dass aus denselben Zellen auch Knochen entstehen könnten. – Rüstung basierend auf großen Wirbeltieren.

Um dies zu untersuchen, wandten sich Stundl und das Team dem Stör zu, insbesondere dem Sterlet-Stör (Acipenser ruthenus). Moderne Störe, die dafür bekannt sind, den teuersten Kaviar der Welt zu produzieren, weisen immer noch viele der gleichen Eigenschaften auf wie ihre Vorfahren vor Millionen von Jahren. Dies macht sie zu erstklassigen Kandidaten für Evolutionsstudien.

Anhand von Störembryonen, die am Forschungsinstitut für Fischzucht und Wasserbiologie in der Tschechischen Republik kultiviert wurden, verfolgten Stundl und sein Team mithilfe eines Fluoreszenzfarbstoffs, wie die Neuralleistenzellen des Fischrüssels durch seinen sich entwickelnden Körper wandern. Störe beginnen nach zwei Wochen, ihre Gehörknöchelchen zu entwickeln, daher hielten die Forscher die sich entwickelnden Fische in einem dunklen Labor, damit sie den fluoreszierenden Farbstoff nicht durch Licht störten.

Das Team fand fluoreszierend markierte Stammzellen der Neuralleiste genau an den Stellen, an denen sich die Gehörknöchelchen des Störs bildeten. Dann verwendeten sie eine andere Technik, um die Osteoblasten hervorzuheben, eine Zellart, die Knochen bildet. In fluoreszierenden Zellen in sich entwickelnden Fischschuppen wurden mit der Osteoblastendifferenzierung verbundene Gensignaturen gefunden, was einen starken Beweis dafür liefert, dass Zellen der Neuralleiste im Stamm tatsächlich osteogene Zellen hervorbringen.

In Kombination mit Erkenntnissen aus dem Jahr 2017 über die Rolle von Neuralleistenzellen bei der Bildung eines Dentin-basierten Schildes zeigt die Arbeit, dass dendritische Neuralleistenzellen tatsächlich für die Entstehung des dermal-knöchernen Schildes verantwortlich sind, das den evolutionären Erfolg von Wirbeltieren ermöglichte.

„Die Arbeit mit Nicht-Modellorganismen ist eine Herausforderung; Werkzeuge an Standard-Labororganismen wie der Maus oder dem Zebrafisch funktionieren entweder nicht oder müssen stark angepasst werden“, sagt Stündl. „Trotz dieser Herausforderungen ermöglichen uns Informationen von Nicht-Modellorganismen wie dem Stör, grundlegende Fragen der Evolutionsbiologie schlüssig zu beantworten.“

„Indem wir viele der Tiere im Stammbaum des Lebens untersuchen, können wir auf die evolutionären Ereignisse schließen, die stattgefunden haben“, sagt Bruner. „Dies ist besonders wirkungsvoll, wenn wir evolutionäre Fragen aus der Perspektive der Evolutionsbiologie angehen können, denn viele der Veränderungen, die zu verschiedenen Zelltypen führen, erfolgten durch kleine Modifikationen in der Embryonalentwicklung.“

Der Titel der Arbeit lautet „Alter Hautschild von Wirbeltieren, entwickelt aus dem Neuralstammkamm“.