물고기는 뼈와 비늘 모양의 갑옷을 어떻게 발달시켰습니까?

약 3억 5천만년 전, 당신의 진화적 조상과 모든 현생 척추동물의 조상은 바다에 사는 부드러운 몸을 가진 동물에 불과했습니다. 생존하고 오늘날의 우리로 진화하기 위해 이 동물들은 당시 갑각류가 지배했던 바다 포식자보다 보호와 이점이 필요했습니다.

갑옷 메기에서 발견되는 날카로운 가시나 철갑 상어를 덮는 비늘이라고 불리는 다이아몬드 모양의 뼈 비늘과 같은 가죽 갑옷의 진화는 성공적인 전략이었습니다. 수천 종의 어류는 뼈 및/또는 현대 인간 치아의 중요한 구성 요소인 상아질이라는 물질로 구성된 다양한 스타일의 피부 보호막을 사용합니다. 보호 코팅은 그러한 척추동물이 생존하고 새로운 동물로 진화하여 결국 인간으로 진화하는 데 도움이 되었습니다.

그러나이 방패는 어디에서 왔습니까? 우리의 고대 수중 조상들은 어떻게 이 보호피모를 키우기 위해 진화했을까요?

이제 철갑상어를 사용하여 새로운 연구에서 줄기 세포의 특정 그룹인 줄기 세포(stump neural crest cell)가 물고기의 골육종 발병에 책임이 있음을 발견했습니다. 이 작업은 현재 Marianne Brunner 연구실의 Marie Sklodowska-Curie 박사후 연구원이자 Edward B. Lewis 생물학 교수이자 Caltech의 Beckman 연구소 소장인 Jan Standell이 수행했습니다. 연구를 설명하는 논문이 저널에 게재됨 국립 과학 아카데미 회보 7월 17일.

Brunner의 연구실은 오랫동안 신경 능선 세포 연구에 관심을 가져왔습니다. 이 세포는 물고기, 닭, 우리 인간을 포함한 모든 척추동물에서 발견되며, 머리(두개골)에서 발생했는지 척수(몸통)에서 발생했는지에 따라 전문화됩니다. 두개골 및 몸통 신경 능선 세포는 시작점에서 발달하는 동물의 몸 전체로 이동하여 턱, 심장 및 기타 중요한 구조를 구성하는 세포를 생성합니다.

캠브리지 대학의 2017년 연구에서 작은 홍어라고 불리는 물고기 종에서 신경 줄기 세포가 상아 기반 피부 보호막을 생성한다는 사실이 밝혀진 후 Stundell과 그의 동료들은 동일한 세포 세트가 뼈를 생성할 수도 있다는 가설을 세웠습니다. – 대규모 척추동물을 기반으로 한 갑옷.

이를 연구하기 위해 Stundl과 팀은 철갑상어, 특히 sterlet 철갑상어(Acipenser ruthenus)로 눈을 돌렸습니다. 세계에서 가장 비싼 캐비어를 생산하는 것으로 알려진 현대 철갑상어는 여전히 수백만 년 전 조상과 동일한 특성을 많이 가지고 있습니다. 이것은 그것들을 진화 연구의 주요 후보로 만듭니다.

체코 어류 사육 및 수생 생물학 연구소에서 배양된 철갑상어 배아를 사용하여 Stundl과 그의 팀은 형광 염료를 사용하여 물고기 몸통의 신경 능선 세포가 발달하는 몸 전체로 어떻게 이동하는지 추적했습니다. 철갑상어는 2주 후에 이소골이 발달하기 시작하므로 연구원들은 발달 중인 물고기를 어두운 실험실에 두어 빛으로 형광 염료를 방해하지 않도록 했습니다.

연구팀은 철갑상어의 이소골이 형성되는 정확한 위치에서 형광 표지된 줄기 신경 능선 세포를 발견했습니다. 그런 다음 그들은 뼈를 형성하는 세포 유형인 골아세포를 강조하기 위해 다른 기술을 사용했습니다. 조골 세포 분화와 관련된 유전자 서명은 발달 중인 어류 비늘의 형광 세포에서 발견되어 줄기의 신경 능선 세포가 실제로 골 형성 세포를 생성한다는 강력한 증거를 제공합니다.

상아질 기반 보호막 형성에서 신경 능선 세포의 역할에 대한 2017년 연구 결과와 결합하여 이 작업은 수지상 신경 능선 세포가 실제로 척추동물의 진화적 성공을 가능하게 한 외배엽-골 보호막의 출현에 책임이 있음을 보여줍니다.

“모델이 아닌 유기체로 작업하는 것은 어려운 일입니다. 마우스나 제브라피시와 같은 표준 실험실 유기체에 대한 도구는 작동하지 않거나 고도로 적응해야 합니다.”라고 Stündl은 말합니다. “이러한 도전에도 불구하고 철갑상어와 같은 비모델 유기체의 정보를 통해 근본적인 진화 생물학 질문에 엄격한 방식으로 답할 수 있습니다.”

“생명 나무에 있는 많은 동물을 연구함으로써 우리는 일어난 진화적 사건을 추론할 수 있습니다.”라고 Bruner는 말합니다. “이것은 우리가 진화 생물학의 관점에서 진화론적 질문에 접근할 수 있다면 특히 강력합니다. 다른 유형의 세포로 이어지는 많은 변화가 배아 발달의 작은 변형을 통해 발생하기 때문입니다.”

이 논문의 제목은 “몸통 신경 능선에서 고대 척추동물 피부 보호막 진화”입니다.