La antigua armadura dérmica de vertebrados evolucionó a partir de la cresta neural del tronco
Una población específica de células madre son responsables del desarrollo de escudos óseos en los peces
Hace unos 350 millones de años, tus ancestros evolutivos, y los ancestros de todos los vertebrados modernos, eran simplemente animales de cuerpo blando que vivían en los océanos.
Para sobrevivir y evolucionar hasta convertirse en lo que somos hoy, estos animales necesitaban obtener alguna protección y ventaja sobre los depredadores del océano, que entonces estaban dominados por los crustáceos.
La evolución de la armadura dérmica, como las afiladas espinas que se encuentran en un bagre acorazado o las escamas óseas en forma de diamante, llamadas escudos, que cubren un esturión, fue una estrategia exitosa.
Miles de especies de peces utilizaron diferentes patrones de armadura dérmica, compuesta de hueso y/o una sustancia llamada dentina, un importante componente de los dientes humanos modernos. Recubrimientos protectores como estos ayudaron a los vertebrados a sobrevivir y evolucionar aún más hasta convertirse en nuevos animales y, en última instancia, en humanos.
Pero, ¿De dónde vino esta armadura? ¿Cómo evolucionaron nuestros antiguos ancestros submarinos para hacer crecer esta capa protectora?
Imagen derecha: Una reconstrucción de un solo escudo de esturión, de cerca. Las células formadoras de hueso están marcadas en magenta. Crédito: J. Stundl
Ahora, utilizando peces esturión, un nuevo estudio encuentra que una población específica de células madre, llamadas células de la cresta neural del tronco, son responsables del desarrollo de escudos óseos en los peces.
El trabajo fue realizado por Jan Stundl, ahora becaria postdoctoral Marie Sklodowska-Curie en el laboratorio de Marianne Bronner, profesora de biología Edward B. Lewis y directora del Instituto Beckman en Caltech.
El laboratorio Bronner ha estado interesado durante mucho tiempo en estudiar las células de la cresta neural. Estas células, que se encuentran en todos los vertebrados, incluidos los peces, los pollos y nosotros mismos, se especializan en función de si surgen de las regiones de la cabeza (craneal) o de la médula espinal (tronco). Tanto las células de la cresta neural craneal como las del tronco migran desde sus puntos de partida por todo el cuerpo en desarrollo del animal, dando origen a las células que forman las mandíbulas, el corazón y otras estructuras importantes.
Después que un estudio de 2017 de la Universidad de Cambridge mostrara que las células de la cresta neural troncal dan lugar a una armadura dérmica basada en dentina en un tipo de pez llamado pequeño patín, Stundl y sus colegas plantearon la hipótesis de que la misma población de células también podría dar lugar a una armadura basada en huesos en los vertebrados en general.
Para estudiar esto, Stundl y el equipo recurrieron al pez esturión, específicamente al esturión esterlete (Acipenser ruthenus). Los esturiones modernos, mejor conocidos por su producción del caviar más caro del mundo, todavía tienen muchas de las mismas características que sus antepasados de hace millones de años. Esto los convierte en los principales candidatos para los estudios evolutivos.
Imagen derecha: Jan Stundl sostiene un pez esturión en el laboratorio. Crédito: J. Stundl
Usando embriones de esturión cultivados en el Instituto de Investigación de Cultivo de Peces e Hidrobiología en la República Checa, Stundl y su equipo usaron tinte fluorescente para rastrear cómo las células de la cresta neural del tronco del pez migraron a través de su cuerpo en desarrollo. Los esturiones comienzan a desarrollar sus escudos óseos después de un par de semanas, por lo que los investigadores mantuvieron a los peces en crecimiento en un laboratorio oscuro para no perturbar el tinte fluorescente con la luz.
El equipo encontró células de la cresta neural del tronco marcadas con fluorescencia en los lugares exactos donde se formaban los escudos óseos del esturión. Luego usaron una técnica diferente para resaltar los osteoblastos de los peces, un tipo de célula que forma los huesos. Se encontraron firmas genéticas asociadas con la diferenciación de osteoblastos en las células fluorescentes en los escudos en desarrollo de los peces, lo que proporciona una fuerte evidencia de que las células de la cresta neural del tronco de hecho dan lugar a células formadoras de huesos.
Combinado con los hallazgos de 2017 sobre el papel de las células de la cresta neural en la formación de una armadura basada en dentina, el trabajo muestra que las células de la cresta neural del tronco son de hecho responsables de dar lugar a la armadura dérmica ósea que permitió el éxito evolutivo de los peces vertebrados.
"Trabajar con organismos que no son modelo es complicado; las herramientas que existen en organismos de laboratorio estándar como el ratón o el pez cebra no funcionan o necesitan una significativa adaptación", dice Stundl. "A pesar de estos desafíos, la información de organismos no modelo como el esturión nos permite responder de manera rigurosa preguntas fundamentales de biología del desarrollo evolutivo".
"Al estudiar muchos animales en el árbol de la vida, podemos inferir qué eventos evolutivos han tenido lugar", dice Bronner. "Esto es particularmente poderoso si podemos abordar las cuestiones evolutivas desde una perspectiva de biología del desarrollo, ya que muchos cambios que llevaron a diversos tipos de células ocurrieron a través de pequeñas alteraciones en el desarrollo embrionario".
Un artículo que describe la investigación aparece el 17 de julio en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences: Ancient vertebrate dermal armor evolved from trunk neural crest
