¿Cómo desarrollaron los peces su armadura ósea y escamosa?

Hace unos 350 millones de años, sus ancestros evolutivos, y los ancestros de todos los vertebrados modernos, eran solo animales marinos de cuerpo blando. Para sobrevivir y evolucionar hasta convertirse en lo que somos hoy, estos animales necesitaban cierta protección y ventajas sobre los depredadores del océano, que entonces estaban dominados por los crustáceos.

La evolución de la armadura de cuero, como las espinas afiladas que se encuentran en el bagre acorazado o las escamas óseas en forma de diamante llamadas escamas que cubren a los esturiones, fue una estrategia exitosa. Miles de especies de peces usan diferentes estilos de escudos dérmicos, que consisten en hueso y/o un material llamado dentina, un componente importante de los dientes humanos modernos. Los revestimientos protectores ayudaron a estos vertebrados a sobrevivir y evolucionar hasta convertirse en nuevos animales y, finalmente, en humanos.

Pero, ¿de dónde vino este escudo? ¿Cómo evolucionaron nuestros antiguos ancestros submarinos para hacer crecer esta capa protectora?

Ahora, usando esturión, un nuevo estudio ha encontrado que un grupo específico de células madre, llamadas células de la cresta neural del muñón, son responsables del desarrollo del osteosarcoma en los peces. El trabajo fue realizado por Jan Standell, ahora investigador postdoctoral de Marie Sklodowska-Curie en el laboratorio de Marianne Brunner, profesora de biología Edward B. Lewis y directora del Instituto Beckman en Caltech. Un artículo que describe la investigación aparece en la revista. procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias El 17 de julio.

El laboratorio de Brunner ha estado interesado durante mucho tiempo en estudiar las células de la cresta neural. Estas células se encuentran en todos los vertebrados, incluidos los peces, los pollos y nosotros mismos, y se especializan en función de si surgen de áreas de la cabeza (el cráneo) o de la médula espinal (el tronco). Tanto las células de la cresta neural craneales como las del tronco migran desde sus puntos de partida por todo el cuerpo del animal en desarrollo, dando origen a las células que forman las mandíbulas, el corazón y otras estructuras importantes.

Después de que un estudio de 2017 de la Universidad de Cambridge mostrara que las células madre neurales dan lugar a un escudo de piel a base de marfil en una especie de pez llamada patines diminutos, Stundell y sus colegas plantearon la hipótesis de que el mismo conjunto de células también podría dar lugar a huesos. – Armadura basada en vertebrados a gran escala.

Para estudiar esto, Stundl y el equipo recurrieron al esturión, específicamente al esturión esterlina (Acipenser ruthenus). El esturión moderno, conocido por producir el caviar más caro del mundo, todavía tiene muchas de las mismas características que sus ancestros hace millones de años. Esto los convierte en los principales candidatos para los estudios evolutivos.

Usando embriones de esturión cultivados en el Instituto de Investigación de Cría de Peces y Biología Acuática en la República Checa, Stundl y su equipo usaron un tinte fluorescente para rastrear cómo las células de la cresta neural del tronco del pez migran a través de su cuerpo en desarrollo. Los esturiones comienzan a desarrollar sus osículos después de dos semanas, por lo que los investigadores mantuvieron a los peces en desarrollo en un laboratorio oscuro para que no perturbaran el tinte fluorescente con la luz.

El equipo encontró células de la cresta neural madre marcadas con fluorescencia en los sitios exactos donde se formaban los huesecillos del esturión. Luego utilizaron una técnica diferente para resaltar los osteoblastos, un tipo de célula que forma el hueso. Se encontraron firmas genéticas asociadas con la diferenciación de osteoblastos en células fluorescentes en escamas de pescado en desarrollo, lo que proporciona una fuerte evidencia de que las células de la cresta neural del tallo de hecho dan lugar a células osteogénicas.

Combinado con los hallazgos de 2017 sobre el papel de las células de la cresta neural en la formación de un escudo basado en dentina, el trabajo muestra que las células dendríticas de la cresta neural son de hecho responsables de la aparición del escudo ectodérmico-óseo que permitió el éxito evolutivo de los peces vertebrados.

«Trabajar con organismos que no son modelo es un desafío; las herramientas en organismos de laboratorio estándar, como el ratón o el pez cebra, no funcionan o necesitan una gran adaptación», dice Stündl. «A pesar de estos desafíos, la información de organismos no modelo como el esturión nos permite responder preguntas fundamentales de biología evolutiva de manera rigurosa».

«Al estudiar los muchos animales en el árbol de la vida, podemos inferir los eventos evolutivos que tuvieron lugar», dice Bruner. «Esto es especialmente poderoso si podemos abordar las cuestiones evolutivas desde la perspectiva de la biología evolutiva, porque muchos de los cambios que conducen a diferentes tipos de células ocurrieron a través de pequeñas modificaciones en el desarrollo embrionario».

El documento se titula «Evolución del escudo de piel de vertebrado antiguo desde la cresta neural del tronco».