Vor etwa 350 Millionen Jahren waren Ihre evolutionären Vorfahren – und die Vorfahren aller modernen Wirbeltiere – lediglich Tiere mit weichem Körper, die in den Ozeanen lebten. Um zu überleben und sich zu dem zu entwickeln, was wir heute sind, mussten diese Tiere einen gewissen Schutz und einen Vorteil gegenüber den Raubtieren des Ozeans erlangen, die damals von Krebstieren dominiert wurden.
Die Entwicklung der Hautpanzerung, wie die scharfen Stacheln eines gepanzerten Welses oder die knöchernen rautenförmigen Schuppen, sogenannte Scutes, die einen Stör bedecken, war eine erfolgreiche Strategie. Tausende Fischarten nutzten unterschiedliche Muster der Hautpanzerung, bestehend aus Knochen und/oder einer Substanz namens Dentin, einem wichtigen Bestandteil moderner menschlicher Zähne. Schutzbeschichtungen wie diese halfen Wirbeltieren zu überleben und sich weiter zu neuen Tieren und schließlich zum Menschen zu entwickeln.
Aber woher kam diese Rüstung? Wie haben sich unsere alten Unterwasservorfahren entwickelt, um diesen Schutzmantel wachsen zu lassen?
Nun kommt eine neue Studie anhand von Störfischen zu dem Ergebnis, dass eine bestimmte Population von Stammzellen, sogenannte Stammzellen des Nervenkamms, für die Entwicklung knöcherner Rillen bei Fischen verantwortlich sind. Die Arbeit wurde von Jan Stundl durchgeführt, jetzt Marie-Sklodowska-Curie-Postdoktorand im Labor von Marianne Bronner, 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.
Das Bronner-Labor ist seit langem an der Untersuchung von Zellen der Neuralleiste interessiert. Diese Zellen kommen bei allen Wirbeltieren vor, einschließlich Fischen, Hühnern und uns selbst, und spezialisieren sich je nachdem, ob sie aus der Kopfregion (Schädel) oder dem Rückenmark (Rumpf) stammen. Sowohl kraniale als auch Rumpf-Neuralleistenzellen wandern von ihren Ausgangspunkten durch den sich entwickelnden Körper des 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 Stammzellen des Neuralkamms bei einer Fischart namens „Kleiner Rochen“ zu einer dentinbasierten Hautpanzerung führen, stellten Stundl und seine Kollegen die Hypothese auf, dass dieselbe Zellpopulation auch zu Knochen führen könnte -basierte Panzerung bei Wirbeltieren im Großen und Ganzen.
Um dies zu untersuchen, wandten sich Stundl und das Team dem Störfisch zu, insbesondere dem Sterlet-Stör (Acipenser ruthenus). Moderne Störe, die vor allem für die Produktion des teuersten Kaviars der Welt bekannt sind, weisen noch immer 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 Fischkultur und Hydrobiologie in der Tschechischen Republik gezüchtet wurden, verwendeten Stundl und sein Team fluoreszierende Farbstoffe, um zu verfolgen, wie die Nervenkammzellen des Rumpfes des Fisches durch seinen sich entwickelnden Körper wanderten. Störe beginnen nach ein paar Wochen, ihre knöchernen Rillen zu entwickeln, daher hielten die Forscher die heranwachsenden Fische in einem abgedunkelten Labor, um den fluoreszierenden Farbstoff nicht durch Licht zu stören.
Das Team fand fluoreszierend markierte Stammneuralleistenzellen genau an den Stellen, an denen sich die knöchernen Rillen des Störs bildeten. Anschließend verwendeten sie eine andere Technik, um die Osteoblasten des Fisches hervorzuheben, einen Zelltyp, der Knochen bildet. Genetische Signaturen, die mit der Differenzierung von Osteoblasten in Zusammenhang stehen, wurden in den fluoreszierenden Zellen in den sich entwickelnden Rillen des Fisches gefunden, was einen starken Beweis dafür liefert, dass die Zellen der Neuralleiste des Rumpfes tatsächlich knochenbildende Zellen hervorbringen.
In Kombination mit den Erkenntnissen aus dem Jahr 2017 über die Rolle von Neuralleistenzellen bei der Bildung von Dentinpanzern zeigt die Arbeit, dass Rumpfneuralleistenzellen tatsächlich für die Entstehung der knöchernen Hautpanzerung verantwortlich sind, die den evolutionären Erfolg von Wirbeltieren ermöglichte.
„Die Arbeit mit Nicht-Modellorganismen ist schwierig; die Werkzeuge, die in Standard-Labororganismen wie Mäusen oder Zebrafischen vorhanden sind, funktionieren entweder nicht oder müssen erheblich angepasst werden“, sagt Stundl. „Trotz dieser Herausforderungen ermöglichen uns Informationen von Nicht-Modellorganismen wie dem Stör, grundlegende Fragen der evolutionären Entwicklungsbiologie rigoros zu beantworten.“
„Indem wir viele Tiere im Stammbaum des Lebens untersuchen, können wir ableiten, welche evolutionären Ereignisse stattgefunden haben“, sagt Bronner. „Dies ist besonders wirkungsvoll, wenn wir evolutionäre Fragen aus entwicklungsbiologischer Perspektive angehen können, da viele Veränderungen, die zu verschiedenen Zelltypen führten, über kleine Veränderungen in der Embryonalentwicklung erfolgten.“
Der Artikel trägt den Titel „Die Hautpanzerung alter Wirbeltiere entwickelte sich aus der Neuralleiste des Rumpfes.“
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Jan Stundl et al.: Die Hautpanzerung alter Wirbeltiere entwickelte sich aus der Neuralleiste des Rumpfes. Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (2023). DOI: 10.1073/pnas.2221120120