魚類是如何進(jìn)化出它們多骨的鱗片狀盔甲的 _魚類

重建一個(gè)單一的鱘魚鱗甲，近攝。骨形成細(xì)胞用洋紅色標(biāo)記。信用:J. Stundl
據(jù)加州理工學(xué)院：大約3.5億年前，你的進(jìn)化祖先——以及所有現(xiàn)代脊椎動(dòng)物的祖先——僅僅是生活在海洋中的軟體動(dòng)物。為了生存和進(jìn)化成我們今天的樣子，這些動(dòng)物需要獲得一些保護(hù)，并比海洋中的捕食者更有優(yōu)勢(shì)，那時(shí)海洋中的捕食者主要是甲殼類動(dòng)物。
真皮盔甲的進(jìn)化是一種成功的策略，比如在裝甲鯰魚身上發(fā)現(xiàn)的尖刺，或者覆蓋在鱘魚身上的多骨菱形鱗甲。成千上萬(wàn)種魚類利用不同圖案的真皮盔甲，由骨頭和/或一種叫做牙質(zhì)的物質(zhì)組成，牙質(zhì)是現(xiàn)代人類牙齒的重要組成部分。像這樣的保護(hù)涂層幫助脊椎動(dòng)物生存下來(lái)，并進(jìn)一步進(jìn)化成新的動(dòng)物，最終進(jìn)化成人類。
但是這盔甲是哪里來(lái)的？我們遠(yuǎn)古的水下祖先是如何進(jìn)化出這種保護(hù)性的外衣的？
現(xiàn)在，使用鱘魚，一項(xiàng)新的研究發(fā)現(xiàn)，一種特定的干細(xì)胞群，稱為軀干神經(jīng)嵴細(xì)胞，負(fù)責(zé)魚類骨盤的發(fā)育。這項(xiàng)工作是由Jan Stundl進(jìn)行的，她現(xiàn)在是Marie Sklodowska-Curie博士后學(xué)者，在Marianne Bronner的實(shí)驗(yàn)室工作，Marianne Bronner是愛(ài)德華·B·劉易斯生物學(xué)教授，也是加州理工學(xué)院貝克曼研究所的主任。描述這項(xiàng)研究的論文發(fā)表在7月17日的《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上。
布朗納實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期以來(lái)一直對(duì)研究神經(jīng)嵴細(xì)胞感興趣。在包括魚、雞和我們?cè)趦?nèi)的所有脊椎動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)，這些細(xì)胞根據(jù)它們是來(lái)自頭部(顱部)還是脊髓(軀干)區(qū)域而變得特化。顱神經(jīng)嵴細(xì)胞和軀干神經(jīng)嵴細(xì)胞都從它們的起點(diǎn)遷移到動(dòng)物的整個(gè)發(fā)育中的身體，產(chǎn)生構(gòu)成頜骨、心臟和其他重要結(jié)構(gòu)的細(xì)胞。
劍橋大學(xué)2017年的一項(xiàng)研究表明，軀干神經(jīng)嵴細(xì)胞在一種叫做小鰩魚的魚中產(chǎn)生了基于牙質(zhì)的真皮盔甲， Stundl和他的同事們假設(shè)，同樣的細(xì)胞群也可能在廣泛的脊椎動(dòng)物中產(chǎn)生基于骨的盔甲。
為了研究這個(gè)問(wèn)題，Stundl和他的團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向了鱘魚，特別是鱘魚。以生產(chǎn)世界上最昂貴的魚子醬而聞名的現(xiàn)代鱘魚，仍然擁有許多與它們幾百萬(wàn)年前的祖先相同的特征。這使得它們成為進(jìn)化研究的首選。

簡(jiǎn)·斯圖德爾在實(shí)驗(yàn)室里抓著一條鱘魚。信用:J. Stundl
Stundl和他的團(tuán)隊(duì)使用捷克共和國(guó)魚類養(yǎng)殖和水生生物研究所培育的鱘魚胚胎，使用熒光染料跟蹤魚的軀干神經(jīng)嵴細(xì)胞如何在整個(gè)發(fā)育過(guò)程中遷移。幾周后，鱘魚開始長(zhǎng)出骨質(zhì)鱗甲，因此研究人員將正在生長(zhǎng)的魚放在黑暗的實(shí)驗(yàn)室中，以免光線干擾熒光染料。
研究小組在鱘魚骨刺形成的確切位置發(fā)現(xiàn)了熒光標(biāo)記的軀干神經(jīng)嵴細(xì)胞。然后，他們使用了一種不同的技術(shù)來(lái)突出魚的成骨細(xì)胞，這是一種形成骨骼的細(xì)胞。與成骨細(xì)胞分化相關(guān)的遺傳標(biāo)記在魚的發(fā)育中的鱗甲的熒光細(xì)胞中被發(fā)現(xiàn)，這提供了強(qiáng)有力的證據(jù) ，證明軀干神經(jīng)嵴細(xì)胞實(shí)際上產(chǎn)生了骨形成細(xì)胞。
結(jié)合2017年關(guān)于神經(jīng)嵴細(xì)胞在形成牙質(zhì)盔甲中的作用的研究結(jié)果，這項(xiàng)工作表明，軀干神經(jīng)嵴細(xì)胞確實(shí)是導(dǎo)致脊椎動(dòng)物魚類進(jìn)化成功的骨真皮盔甲的原因。
“研究非模式生物是很棘手的；Stundl說(shuō):“存在于老鼠或斑馬魚等標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室生物中的工具要么不起作用，要么需要進(jìn)行重大調(diào)整。“盡管面臨這些挑戰(zhàn)，來(lái)自鱘魚等非模式生物的信息使我們能夠以嚴(yán)格的方式回答基本的進(jìn)化發(fā)育生物學(xué)問(wèn)題。”
“通過(guò)研究生命樹上的許多動(dòng)物，我們可以推斷發(fā)生了什么進(jìn)化事件， ”布朗納說(shuō) 。“如果我們能夠從發(fā)育生物學(xué)的角度來(lái)處理進(jìn)化問(wèn)題，這將是非常強(qiáng)大的，因?yàn)閷?dǎo)致不同細(xì)胞類型的許多變化都是通過(guò)胚胎發(fā)育中的微小變化發(fā)生的。”
這篇論文的題目是“從軀干神經(jīng)嵴進(jìn)化而來(lái)的古脊椎動(dòng)物真皮盔甲。”