Como os peixes desenvolveram sua armadura óssea e escamosa?

Cerca de 350 milhões de anos atrás, seus ancestrais evolucionários – e os ancestrais de todos os vertebrados modernos – eram apenas animais oceânicos de corpo mole. Para sobreviver e evoluir para o que somos hoje, esses animais precisaram ter alguma proteção e vantagens sobre os predadores oceânicos, então dominados pelos crustáceos.

A evolução da armadura de couro, como os espinhos afiados encontrados em bagres blindados ou as escamas ósseas em forma de diamante chamadas escamas que cobrem os esturjões, foi uma estratégia bem-sucedida. Milhares de espécies de peixes usam diferentes estilos de escudos dérmicos, constituídos por osso e/ou um material chamado dentina, um importante componente dos dentes humanos modernos. Os revestimentos protetores ajudaram esses vertebrados a sobreviver e evoluir para novos animais e, eventualmente, para humanos.

Mas de onde veio esse escudo? Como nossos ancestrais subaquáticos evoluíram para desenvolver esse revestimento protetor?

Agora, usando o esturjão, um novo estudo descobriu que um grupo específico de células-tronco, chamadas células da crista neural do coto, são responsáveis ​​pelo desenvolvimento do osteossarcoma nos peixes. O trabalho foi conduzido por Jan Standell, agora um pesquisador de pós-doutorado Marie Sklodowska-Curie no laboratório de Marianne Brunner, a professora de biologia Edward B. Lewis e diretora do Instituto Beckman em Caltech. Um artigo descrevendo a pesquisa aparece na revista Anais da Academia Nacional de Ciências Em 17 de julho.

O laboratório de Brunner há muito se interessa em estudar as células da crista neural. Essas células são encontradas em todos os vertebrados, incluindo peixes, galinhas e nós mesmos, e se especializam com base no fato de surgirem de áreas da cabeça (o crânio) ou da medula espinhal (o tronco). As células da crista neural craniana e do tronco migram de seus pontos de partida por todo o corpo do animal em desenvolvimento, dando origem às células que compõem as mandíbulas, o coração e outras estruturas importantes.

Depois que um estudo de 2017 da Universidade de Cambridge mostrou que as células-tronco neurais dão origem a um escudo de pele à base de marfim em uma espécie de peixe chamada patins minúsculos, Stundell e seus colegas levantaram a hipótese de que o mesmo conjunto de células também pode dar origem ao osso. – Armadura baseada em vertebrados de grande escala.

Para estudar isso, Stundl e a equipe se voltaram para o esturjão, especificamente o esturjão esterlina (Acipenser ruthenus). O esturjão moderno, conhecido por produzir o caviar mais caro do mundo, ainda tem muitas das mesmas características de seus ancestrais milhões de anos atrás. Isso os torna os principais candidatos para estudos evolutivos.

Usando embriões de esturjão cultivados no Instituto de Pesquisa de Criação de Peixes e Biologia Aquática na República Tcheca, Stundl e sua equipe usaram um corante fluorescente para rastrear como as células da crista neural do tronco do peixe migram por todo o corpo em desenvolvimento. Os esturjões começam a desenvolver seus ossículos depois de duas semanas, então os pesquisadores mantiveram o peixe em desenvolvimento em um laboratório escuro para que não perturbassem o corante fluorescente com luz.

A equipe encontrou células-tronco da crista neural marcadas com fluorescência nos locais exatos onde os ossículos do esturjão estavam se formando. Em seguida, eles usaram uma técnica diferente para destacar os osteoblastos, um tipo de célula que forma o osso. As assinaturas gênicas associadas à diferenciação osteoblástica foram encontradas em células fluorescentes em escamas de peixes em desenvolvimento, fornecendo fortes evidências de que as células da crista neural no caule de fato dão origem a células osteogênicas.

Combinado com as descobertas de 2017 sobre o papel das células da crista neural na formação de um escudo baseado em dentina, o trabalho mostra que as células dendríticas da crista neural são de fato responsáveis ​​pelo surgimento do escudo dermo-ósseo que permitiu o sucesso evolutivo dos peixes vertebrados.

“Trabalhar com organismos não-modelos é desafiador; ferramentas em organismos de laboratório padrão, como o camundongo ou o peixe-zebra, não funcionam ou precisam ser altamente adaptadas”, diz Stündl. “Apesar desses desafios, as informações de organismos não-modelos, como o esturjão, nos permitem responder a questões fundamentais da biologia evolutiva de maneira rigorosa”.

“Ao estudar muitos dos animais da árvore da vida, podemos inferir os eventos evolutivos que ocorreram”, diz Bruner. “Isto é especialmente poderoso se pudermos abordar questões evolutivas do ponto de vista da biologia evolutiva, porque muitas das mudanças que levam a diferentes tipos de células ocorreram por meio de pequenas modificações no desenvolvimento embrionário.”

O título do artigo é “Antigo escudo de pele de vertebrados evoluiu a partir da crista do tronco neural”.