Scaling of statically derived osteocyte lacunae in extant birds: implications for palaeophysiological reconstruction

Introduction

Osteosyytit, jotka ovat peräisin staattisesta osteogeneesistä (SO-derived osteocytes), erilaistuvat paikan päällä mesenkiimasta, muodostuvat luun kasvun alkuvaiheessa ja toimivat dynaamisesta osteogeneesistä peräisin olevien osteosyyttien luunmuodostuksen telineenä (DO-derived osteocytes). SO-alkuperäiset osteosyytit ovat suuria, muodostavat tasakokoisia laakeita ja ryhmittyvät naruiksi, kun taas DO-alkuperäiset osteosyytit ovat pienempiä, muodostavat pitkänomaisia laakeita ja ovat enemmän hajallaan epäsäännöllisissä keskittyneissä ympyröissä neurovaskulaaristen kanavien ympärillä (kuva 1). Osteosyyttien lakkunat mukautuvat mittoihinsa osteogeneesin aikana, ja niiden muoto on yhteydessä niiden toimintaan . Osteosyyttilakunat ovat yleensä hyvin säilyneet fossiilisissa luissa, mikä tarjoaa runsaan aineiston paleobiologisten kysymysten käsittelemiseksi sukupuuttoon kuolleisiin eläimiin liittyen .

Yksi tällaiseksi kysymykseksi nousee se, miten genomin koko on muuttunut eri kladeissa evoluutiohistorian aikana. Paleogenomiikka pyrkii vastaamaan tähän kysymykseen genomin kokoon liittyvien histologisten piirteiden avulla . On tehty monia tutkimuksia, joissa on tutkittu solujen koon ja genomin koon mahdollista yhteyttä ja sitä, voiko histologinen todistusaineisto tarjota riittävän signaalin sukupuuttoon kuolleiden eläinten genomin koon arvioimiseksi . Lisäksi punasolujen koko voi olla yhteydessä aineenvaihduntanopeuteen, koska solut toimivat hapenkuljetuksessa. Jos punasolujen koolla on merkittävä metabolinen signaali, sitä voidaan käyttää myös metabolisten parametrien arvioimiseen sukupuuttoon kuolleilla eläimillä .

Eräässä tutkimuksessa, jossa pyrittiin päättelemään paleobiologisia parametreja osteosyyttien laakakoon perusteella, D’Emic & Benson mittasi laakakoon tilavuuksia sukupuuttoon kuolleilta linnuilta ja regressioi nämä tilavuudet tunnettuja biologisia parametreja vastaan, mukaan lukien maksimaalinen kasvunopeusvakio k, massakohtainen aineenvaihduntanopeus, punasolujen koko ja genomin koko. He havaitsivat kohtalaisia suhteita osteosyyttien laakunatilavuuden ja genomin koon sekä ruumiinmassan välillä ja heikkoja suhteita osteosyyttien laakunatilavuuden ja aineenvaihduntanopeuden sekä kasvunopeuden välillä. Erytrosyyttien koon kanssa ei havaittu yhteyttä, vaikka regressiota varten oli käytettävissä vain vähän datapisteitä. He mittasivat vain DO:sta peräisin olevat osteosyyttien laakunat, mutta paleogenomitutkimuksissa on yleistä mitata suurimmat laakunat, joissa todennäköisesti oli SO:sta peräisin olevia osteosyyttejä. Tämän tutkimuksen tarkoituksena on analysoida uudelleen D’Emic & Bensonin (; sähköinen lisämateriaali) aineisto mittaamalla vain nämä SO-peräisten osteosyyttien lacunoiden tilavuudet ja regressoida tilavuudet samoja parametreja vastaan. Näin voimme arvioida kahta kysymystä: (1) onko SO- ja DO-peräisten osteosyyttien välillä eroa muoto-toimintasuhteissa solutasolla? ja (2) ovatko SO- tai DO-peräiset osteosyytit parempia ennustamaan fysiologisia parametreja sukupuuttoon kuolleilla linnuilla ja ehkä muilla selkärankaisilla?

Materiaali ja menetelmät

D’Emic & Benson (; sähköinen oheismateriaali) kokosi 34 sukupuuttoon kuolleen linnun 34:stä sukupuuttoon kuolleesta linnusta otettujen pituussuunnassa ja poikittaissuunnassa leikattujen, preparoitujen, maadoitettujen reisiluun keskiakselin ohuiden poikkileikkausten kuvasarjan. Sama kuvasarja, jota käytettiin heidän artikkelissaan, haettiin heidän avoimesti saatavilla olevasta lisäaineistostaan (https://doi.org/10.5061/dryad.ct40s) ja tehtiin uudet mittaukset. DO-peräiset osteosyyttilakuunat jätettiin huomiotta ja mitattiin vain SO-peräiset osteosyyttilakuunat. Jokaisesta kuvasta otettiin vähintään 10 lyhyen ja pitkän akselin mittausta SO-peräisistä osteosyyttilakunoista, jolloin saatiin 3836 lakuna-akselin mittausta sisältävä tietokokonaisuus. Useat SO-peräiset osteosyyttilakuunat ovat toisinaan yhteneviä; nämä suuret, epäsäännöllisesti yhtenevät lakuunat jätettiin pois mittauksistamme. Sekä staattisesti että dynaamisesti johdetut osteosyyttilakkunat näyttävät läpäisyelektronimikroskooppi- ja mikroCT-tutkimusten mukaan kartiomaisilta ellipsoideilta . Joissakin staattisesti johdetuissa osteosyyttilakkunoissa on ulokkeita, jotka tekevät niistä pikemminkin pyramidinmuotoisia kuin ellipsinmuotoisia, mutta mittaustekniikkamme oli yhdenmukainen kaikissa lakunoissa, joten sen ei pitäisi vääristää tilavuusarvioitamme.

Siten osteosyyttien tilavuus arvioitiin olettaen, että ne ovat skaleninmuotoisia ellipsinmuotoisina seuraavalla kaavalla: tilavuus = 4/3 × π × pitkä akseli × väliakseli × lyhyt akseli . Nämä tilavuudet regressoitiin samoja viittä biologista parametria vastaan (genomin koko (pg), ruumiin massa (g), kasvunopeusvakio k (vrk-1), massakohtainen perusaineenvaihdunta (W g-1), kuiva erytrosyyttipinta-ala (μm2)), jotka D’Emic & Benson (; sähköinen lisämateriaali) kokosi käyttäen samoja R-paketteja ja koodia, joka on arkistoitu Dryadiin (https://doi.org/10.5061/dryad.ct40s). Biologisia parametreja ei ollut tasaisesti saatavilla kaikissa näytteeksi otetuissa taksoneissa, joten tiedot parsittiin asianmukaisesti ennen kutakin regressiota. Kolmea regressiomallia käytettiin jokaisessa viidessä biologisen parametrin regressiossa osteosyyttien lakkatilavuuteen. Ensimmäisessä oletettiin, että fylogeneettinen vaikutus aineistoon puuttuu (λ = 0), toisessa arvioitiin λ evoluution Brownin liikemallin mukaisesti (λ = 1) ja kolmannessa arvioitiin λ maksimaalisen todennäköisyyden mukaisesti. Näitä malleja verrattiin käyttäen korjattuja Akaiken informaatiokriteerin (AICc) painoja todennäköisimmän mallin valitsemiseksi. Lopuksi näitä regressioita verrattiin aiempiin DO:sta johdettuihin osteosyyttien lakkatilavuuden regressioihin.

Tulokset ja keskustelu

Tulokset ja keskustelu

Lintujen SO:sta johdetun osteosyyttien lakkatilavuuden ja DO:sta johdetun osteosyyttien lakkatilavuuden ja perimän koon tai ruumiinpainon väliset merkitsevät ja maltilliset riippuvuussuhteet, jotka havaittiin DO:sta johdettujen osteosyyttien lakkatilavuuden kohdalla, ovat säilyneet ennallaan, vaikkakin ne ovat kumpikin hiukan lievästi heikentyneempiä (kuva 2 ja taulukko 1). Tilavuuden ja kasvunopeuden tai aineenvaihduntanopeuden väliset suhteet häviävät, kun tarkastellaan vain SO-peräisiä osteosyyttejä. Sekä DO- että SO-alkuperäisillä osteosyyteillä ei ole yhteyttä lakunoiden tilavuuden ja erytrosyyttien koon välillä. Ainoastaan lakunaaritilavuuden ja genomikoon välinen yhteys on merkitsevä kehon massasta riippumatta (p = 0,008, λ = 0, AIC-paino = 0,58).

Tuloksemme osoittavat, että arvioitaessa lintujen perimän kokoa tai ruumiinpainoa osteosyyttien lakkatilavuuden perusteella DO- ja SO-peräisten osteosyyttien välillä ei ole merkittävää eroa. Kun arvioidaan kasvunopeutta tai aineenvaihduntanopeutta, tuloksemme viittaavat siihen, että on suositeltavaa käyttää ainoastaan DO-peräistä osteosyyttien lacunar-tilavuutta. Kumpikaan DO:sta tai SO:sta peräisin olevista lintujen osteosyyttien lakunaaritilavuuksista ei ole optimaalinen punasolujen koon arvioimiseksi, sillä ne eivät olleet yhteydessä toisiinsa kummassakaan tapauksessa. Lintujen DO- ja SO-peräisten osteosyyttien väliset erot niiden suhteissa muihin biologisiin parametreihin johtuvat todennäköisesti niiden erilaisista muodoista ja toiminnoista. Sekä DO- että SO-alkuperäiset osteosyytit ovat tärkeitä uuden luun kasvussa, ja SO-alkuperäiset solut muodostavat ensin telineitä, minkä jälkeen DO-alkuperäiset osteosyytit täyttävät primaariset osteonit, mutta tuloksemme viittaavat siihen, että DO-alkuperäisten osteosyyttien tilavuus on parempi indikaattori kasvun ja aineenvaihdunnan nopeuden mittari linnuilla. Tämä liittyy ehkä luun verisuonihuollon skaalautumiseen, kun sen primaariset osteonit täyttyvät, jolloin DO-peräisten osteosyyttien lakkatilavuus heijastaa kudoksen kiinnittymisnopeutta osteonin sisällä pikemminkin kuin luun sentripetaalista kasvuvauhtia elimenä, joka syntyy, kun SO-peräiset osteosyytit luutuvat kudosnyörejä neurovaskulaarisen verenkierron ympärille.

Tuloksillamme on seurauksia siitä, miten osteosyyttien lakkatilavuuden mittauksia voidaan käyttää biologisten muuttujien arvioimiseen fossiilisessa luussa. Paleogenomiset tutkimukset, joissa pyritään arvioimaan lintujen ja ehkä muidenkin klaadien genomikokoja, voivat jatkossakin ottaa näytteitä suurimmista osteosyyteistä, kuten on tapana, koska joko SO- tai DO-peräiset osteosyytit osoittavat samaa positiivista yhteyttä genomin kokoon. Tutkimuksissa, joissa pyritään arvioimaan lintujen kasvunopeutta tai aineenvaihduntanopeutta, on parasta ottaa näytteeksi vain DO-peräisiä osteosyyttejä, koska nämä parametrit eivät ole yhteydessä SO-peräisiin osteosyyttien laakunarimääriin. Tulevissa tutkimuksissa tulisi testata johtopäätöksemme muilla selkärankaisilla ja luilla, joilla on erilaiset biomekaaniset kuormitusjärjestelmät, jotta voidaan tutkia, ulottuvatko tässä paljastuneet solujen ja histologiset muoto-toimintasuhteet myös muihin luutyyppeihin ja kladeihin.

Aineiston saatavuus

Tekijöiden kontribuutiot

M.D.D.D. suunnitteli tutkimuksen ja valmisti ohuita leikkauksia. O.G. keräsi tiedot ohutleikkauksista. Molemmat kirjoittajat analysoivat tiedot ja kirjoittivat artikkelin. Molemmat kirjoittajat sitoutuvat vastaamaan tämän artikkelin sisällöstä, hyväksyvät käsikirjoituksen lopullisen version ja sitoutuvat vastaamaan kaikista työn näkökohdista varmistaessaan, että työn minkä tahansa osan tarkkuuteen tai eheyteen liittyvät kysymykset tutkitaan ja ratkaistaan asianmukaisesti.

Kilpailevat etunäkökohdat

Meillä ei ole kilpailevia etunäkökohtia.

Rahoitus

Emme saaneet rahoitusta tähän tutkimukseen.

Footnotes

Electronic supplementary material is available online at https://dx.doi.org/10.6084/m9.figshare.c.4447739.