Hvordan udviklede hvirveldyr først kæber?

For fem hundrede millioner år siden var det relativt sikkert at gå tilbage i vandet. Det er fordi dybets skabninger endnu ikke havde udviklet kæber. I et nyt par studier i eLife og Udvikling , afslører videnskabsmænd spor om oprindelsen af ​​denne spændende evolutionære innovation hos hvirveldyr.

I undersøgelserne så Mathi Thiruppathy fra Gage Crumps laboratorium ved USC og samarbejdspartner J. Andrew Gillis fra University of Cambridge og Marine Biological Laboratory på embryonal udvikling som en måde at få indsigt i evolution - en tilgang kendt som "evo-devo ."

Hos fisk deler kæber en fælles udviklingsoprindelse med gæller. Under udviklingen opstår både kæber og gæller fra embryonale strukturer kaldet "pharyngeal buer". Den første af disse buer kaldes mandibularbuen, fordi den giver anledning til kæber, mens yderligere buer udvikler sig til gæller. Der er også anatomiske ligheder:Gællerne understøttes af øvre og nedre knogler, som kunne tænkes at være analoge med over- og underkæben.

"Disse udviklingsmæssige og anatomiske observationer førte til teorien om, at kæben udviklede sig ved modifikation af en forfædres gælle," sagde Thiruppathy, som er eLife studiets førsteforfatter og en ph.d. studerende i Crump Lab. "Selvom denne teori har eksisteret siden slutningen af ​​1800-tallet, er den stadig kontroversiel den dag i dag."

I mangel af klare fossile beviser, eLife publikationen præsenterer "levende" beviser til støtte for teorien om, at kæber stammer fra gæller. Næsten alle fisk har en lille anatomisk struktur kaldet en "pseudogren", som ligner en rudimentær gælle. Imidlertid var denne strukturs embryonale oprindelse usikker.

Ved hjælp af elegante billeddannelses- og cellesporingsteknikker hos zebrafisk viste Thiruppathy og hendes kolleger endegyldigt, at pseudobranchen stammer fra den samme underkæbebue, som giver anledning til kæben. Forskerne viste derefter, at mange af de samme gener og reguleringsmekanismer driver udviklingen af ​​både pseudogrenen og gællerne.

I en relateret undersøgelse netop offentliggjort i Development , Gillis og hans Cambridge-kollega Christine Hirschberger viser, at skøjter også har en mandibular bueafledt pseudobranch med genetiske og udviklingsmæssige ligheder med en gælle. Mens zebrafisk er benfisk, repræsenterer skøjter en helt anden evolutionær klasse af kæbede hvirveldyr:bruskfisk.

"Vores undersøgelser viser, at underkæbebuen indeholder det grundlæggende maskineri til at lave en gællelignende struktur," sagde Crump, eLife undersøgelsens tilsvarende forfatter, og en professor i stamcellebiologi og regenerativ medicin ved Eli og Edythe Broad Center for Regenerative Medicine og Stamcelleforskning ved Keck School of Medicine i USC. "Dette indebærer, at de strukturer, der stammer fra underkæbebuen - pseudogrenen og kæben - kan være startet som gæller, der blev ændret i løbet af dyb evolutionær tid."

Gillis, som er den tilsvarende forfatter til Udvikling studie og en medforfatter på eLife undersøgelse, tilføjede:"Tilsammen peger disse to undersøgelser på, at en pseudogren er til stede i den sidste fælles forfader af alle kæbede hvirveldyr. Disse undersøgelser giver fristende nye beviser for den klassiske teori om, at en gællelignende struktur udviklede sig til hvirveldyrkæben."

Peter Fabian, en postdoc-praktikant i Crump Lab ved USC, er også medforfatter på eLife undersøgelse.