Comment les poissons ont développé leurs écailles osseuses protectrices

Une étude de Caltech a identifié les cellules dendritiques de la crête neurale comme étant à l’origine des écailles osseuses protectrices chez les poissons, mettant ainsi en lumière l’évolution de l’armure des vertébrés.

Il y a environ 350 millions d’années, ils étaient vos ancêtres évolutionnistes, les ancêtres de tous les organismes modernes. Vertébrés-C’étaient juste des animaux au corps mou qui vivaient dans les océans. Afin de survivre et d’évoluer vers ce que nous sommes aujourd’hui, ces animaux devaient bénéficier d’une certaine protection et d’un avantage sur les prédateurs océaniques, qui étaient alors dominés par les crustacés.

L’évolution des armures cutanées, telles que les épines acérées trouvées chez le poisson-chat blindé, ou les écailles osseuses en forme de losange, appelées écailles, qui recouvrent les esturgeons, a été une stratégie réussie. Des milliers de Classer Les poissons utilisaient différents styles d’armure cutanée, composées d’os et/ou d’une substance appelée dentine, un composant important des dents humaines modernes. Les couches protectrices ont aidé ces vertébrés à survivre et à évoluer vers de nouveaux animaux et finalement vers des humains.

Mais d’où vient cette armure ? comment Nos anciens ancêtres ont-ils évolué sous l’eau pour faire pousser cette coque protectrice ?

Aujourd’hui, en utilisant l’esturgeon, une nouvelle étude a révélé qu’un groupe spécifique de cellules souches, appelées cellules dendritiques de la crête neurale, est responsable du développement des ostéophytes chez les poissons. Les travaux ont été menés par Jan Stundel, aujourd’hui chercheur postdoctoral Marie Sklodowska-Curie dans le laboratoire de Marian Bruner, professeur de biologie Edward P. Lewis et directeur de l’Institut Beckman de Caltech. Un article décrivant la recherche a été récemment publié dans la revue Actes de l’Académie nationale des sciences (PNAS).

Jan Standel tient un esturgeon dans son laboratoire. Crédit : Avec l’aimable autorisation de J. Stundl

Le laboratoire de Brunner s’intéresse depuis longtemps à l’étude des cellules de la crête neurale. Ces cellules se retrouvent chez tous les vertébrés, y compris les poissons, les poulets et nous, et se spécialisent selon qu’elles proviennent de régions de la tête (crâne) ou de la moelle épinière (torse). Les cellules crâniennes et souches de la crête neurale migrent depuis leurs points de départ dans tout le corps en développement de l’animal, donnant naissance à des cellules qui forment les mâchoires, le cœur et d’autres structures importantes. Après qu’une étude de l’Université de Cambridge en 2017 ait montré que les cellules dendritiques de la crête neurale donnaient naissance à une protection cutanée à base de dentine chez une espèce de poisson appelée vairon, Standel et ses collègues ont émis l’hypothèse que le même groupe de cellules pourrait également donner lieu à la formation osseuse. – Le bouclier trouvé chez les vertébrés est répandu.

Reconstruction d’un seul esturgeon, gros plan. Les cellules formant des os sont surlignées en violet. Crédit : Avec l’aimable autorisation de J. Stundl

Pour étudier cela, Standel et son équipe se sont tournés vers l’esturgeon, plus précisément l’esturgeon.Ascenseur Ruthinus). L’esturgeon moderne, célèbre pour produire le caviar le plus cher au monde, présente encore bon nombre des mêmes caractéristiques que ses ancêtres il y a des millions d’années. Cela en fait des candidats de choix pour les études évolutionnistes.

En utilisant des embryons d’esturgeon cultivés à l’Institut de recherche sur la pisciculture et la biologie aquatique en République tchèque, Standel et son équipe ont utilisé un colorant fluorescent pour suivre la façon dont les cellules de la crête neurale du tronc du poisson migrent dans tout son corps en développement. Les esturgeons commencent à développer leurs écailles osseuses après quelques semaines. Les chercheurs ont donc gardé les poissons en croissance dans un laboratoire sombre afin de ne pas dénaturer le colorant fluorescent avec la lumière.

L’équipe a découvert des cellules dendritiques de la crête neurale marquées par fluorescence aux sites spécifiques où se forment les ostéophytes de l’esturgeon. Ils ont ensuite utilisé une technique différente pour mettre en évidence les ostéocytes du poisson, un type de cellule qui forme les os. Des signatures génétiques associées à la différenciation des ostéocytes ont été trouvées dans les cellules fluorescentes présentes dans les alvéoles en développement des poissons, fournissant ainsi une preuve solide que les cellules dendritiques de la crête neurale donnent en réalité naissance à des cellules formant des os. Combinés aux découvertes de 2017 sur le rôle des cellules de la crête neurale dans la formation de l’armure à base de dentine, les travaux montrent que les cellules dendritiques de la crête neurale sont bien responsables de l’émergence de l’armure ostéodermique qui a permis le succès évolutif des poissons vertébrés.

« Travailler avec des organismes non modèles est difficile ; les outils existants dans les organismes de laboratoire standards, tels que les souris ou le poisson zèbre, soit ne fonctionnent pas, soit doivent être adaptés de manière significative », explique Stundel. des organismes comme l’esturgeon nous permettent de répondre de manière rigoureuse aux questions fondamentales de la biologie évolutive. »

« En étudiant divers animaux de l’arbre de vie, nous pouvons déduire quels événements évolutifs se sont produits », explique Brunner. « Cela est particulièrement puissant si nous pouvons aborder les questions évolutives du point de vue de la biologie du développement, car bon nombre des changements qui donnent naissance à différents types de cellules se produisent par le biais de petites modifications dans le développement embryonnaire. Nous avons eu la grande chance de recevoir un financement de l’Institute for Developmental Centre des Sciences « Caltech, qui nous a aidé à rendre possibles des études de ce type. »

Centre Caltech pour la science évolutionniste (CES) est une organisation interministérielle à l’échelle de l’institut qui reconnaît et soutient l’étude des changements évolutifs dans le monde naturel par le biais de forces biologiques et anthropiques.

« L’évolution est un thème central qui traverse toute la biologie ; «Cela unifie notre discipline», déclare Joe Parker, professeur agrégé de biologie et de génie biologique, Chen Scholar et codirecteur du CES. « Caltech est un endroit merveilleux avec de nombreux groupes cherchant à résoudre des problèmes évolutifs dans différents contextes, y compris l’interface entre l’évolution et la biologie du développement – comme le montre magnifiquement cette étude. »

L’article s’intitule « Armure cutanée des vertébrés anciens évoluant à partir de la crête neurale dendritique » par Jan Stundel, Megan L. Martic, Dongli Chen, Desingu Ayyappa Raja, Roman Frank, Anna Pospisilova, Martin Psinička, Brian D. Mitscher, Ingo Brasch et Tatiana Hytina. , Robert Cerny, par E. Ahlberg et Marian E. Brunner, le 17 juillet 2023, Actes de l’Académie nationale des sciences.
est ce que je: 10.1073/pnas.2221120120

Outre Bruner et Stundel, les co-auteurs de Caltech sont l’ancienne chercheuse postdoctorale Megan Martic, maintenant à l’UC Berkeley, et la chercheuse postdoctorale Desingu Ayyappa Raja. Les autres co-auteurs sont Dongli Chen, Tatjana Hytina et Per Ahlberg de l’Université d’Uppsala à Uppsala, en Suède ; Roman Frank et Martin Psinička de l’Université de Bohême du Sud en République tchèque ; Anna Pospisilova et Robert Cerny de l’Université Charles de Prague, République tchèque ; Brian Mitscher de l’Université de Vienne en Autriche ; Et Ingo Brach de la Michigan State University. Le financement a été fourni par le programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne ; le Instituts nationaux de la santé; la bourse Wallenberg de la Fondation Knut & Alice Wallenberg ; Fondation Helen Hay Whitney ; Ministère de l’Éducation, de la Jeunesse et des Sports de la République tchèque ; Fondation tchèque pour la science ; Et la Fondation nationale de la science.

Bruner et Parker sont membres du corps professoral de l’Institut de neurosciences Tianqiao et Chrissy Chen de Caltech.