Inleiding
Osteocyten afkomstig van statische osteogenese (SO-afgeleide osteocyten) differentiëren in situ uit mesenchym, vormen zich vroeg in de botgroei en fungeren als de steiger voor de latere botvorming door osteocyten afkomstig van dynamische osteogenese (DO-afgeleide osteocyten). SO-afgeleide osteocyten zijn groot, vormen gelijkvormige lacunes en zijn gegroepeerd in strengen, terwijl DO-afgeleide osteocyten kleiner zijn, langwerpige lacunes vormen en meer verspreid zijn in onregelmatige concentrische cirkels rond neurovasculaire kanalen (figuur 1). Osteocyten lacunae hebben hun afmetingen tijdens de osteogenese en hun vorm is verbonden met hun functie. Osteocyte lacunae zijn meestal goed bewaard gebleven in fossiel bot, en bieden een rijke dataset voor het beantwoorden van paleobiologische vragen rond uitgestorven dieren .
Figuur 1. (a) Schematische weergave van de verschillen in osteocytenvorm en -oriëntatie tussen SO-afgeleide en DO-afgeleide osteocyten. (b) Een histologisch beeld van een dijbeen van Accipiter cooperi met labels die de verschillen tonen tussen SO-afgeleide en DO-afgeleide osteocyt lacunae zoals ze in bot voorkomen. In beide afbeeldingen zijn de afkortingen hetzelfde: SO-afgeleide osteocyten (SO), DO-afgeleide osteocyten (DO), neurovasculair kanaal (NVC), primair osteon (POn). (Online versie in kleur.)
Een van die vragen is hoe de omvang van het genoom in de loop van de evolutionaire geschiedenis in verschillende clades is veranderd. De paleogenomica probeert die vraag te beantwoorden aan de hand van histologische kenmerken die verband houden met de omvang van het genoom. Er zijn veel studies gedaan om het mogelijke verband tussen celgrootte en genoomgrootte te onderzoeken, en of histologisch bewijs voldoende signaal kan bieden om de genoomgrootte van uitgestorven dieren te schatten . Bovendien kan de grootte van rode bloedcellen verband houden met de stofwisselingssnelheid vanwege de functie van de cellen bij het zuurstoftransport. Als er een significant metabolisch signaal in de rode bloedcelgrootte is, kan het ook worden gebruikt om metabolische parameters in uitgestorven dieren te schatten.
In één studie die poogde paleobiologische parameters af te leiden uit osteocyte lacunar dimensies, D’Emic & Benson gemeten lacunar volumes in extante vogels en regressed deze volumes tegen bekende biologische parameters, waaronder de maximale groeisnelheid constante k, massaspecifieke metabolische snelheid, rode bloedcelgrootte, en genoomgrootte. Zij vonden matige verbanden tussen osteocyte lacuna volume en genoomgrootte en lichaamsmassa en zwakke verbanden tussen osteocyte lacuna volume en metabole snelheid en groeisnelheid. Er werd geen verband gevonden met de grootte van erytrocyten, hoewel er weinig datapunten beschikbaar waren voor regressie. Zij maten alleen DO-afgeleide osteocyte lacunae, maar het is gebruikelijk in paleogenomische studies om de grootste lacunae te meten, die waarschijnlijk SO-afgeleide osteocyten huisvestten. Deze studie heeft tot doel de dataset van D’Emic & Benson (; elektronisch aanvullend materiaal) te heranalyseren door alleen deze volumes van SO-afgeleide osteocyte lacunae te meten en de volumes te regresseren tegen dezelfde set van parameters. Dit zal ons in staat stellen twee vragen te evalueren: (1) is er een verschil in vorm-functie relaties op cellulair niveau tussen SO- versus DO-afgeleide osteocyten? en (2) zijn SO-afgeleide of DO-afgeleide osteocyten superieur voor het voorspellen van fysiologische parameters bij uitgestorven vogels, en misschien andere gewervelde dieren?
Materiaal en methoden
D’Emic & Benson (; elektronisch aanvullend materiaal) stelde een set afbeeldingen samen van longitudinaal en transversaal gesneden geprepareerde gemalen femorale middenschacht dunne doorsneden van 34 extante vogels. Dezelfde reeks beelden die in hun artikel werd gebruikt, werd opgehaald uit hun open access supplementaire gegevens (https://doi.org/10.5061/dryad.ct40s) en er werd een nieuwe reeks metingen verricht. DO-afgeleide osteocyte lacunae werden genegeerd en alleen SO-afgeleide osteocyte lacunae werden gemeten. Ten minste 10 korte en lange as metingen werden genomen van SO-afgeleide osteocyte lacunae van elk beeld, wat resulteerde in een dataset van 3836 lacunar as metingen. Meerdere SO-afgeleide osteocyte lacunae zijn soms confluent; deze grote, onregelmatige confluente lacunae werden uitgesloten van onze metingen. Zowel statisch als dynamisch afgeleide osteocyte lacunae zien er uit als gekartelde ellipsoïden volgens transmissie elektronen microscopie en microCT studies. Sommige statisch afgeleide osteocyte lacunae hebben projecties die hen meer piramidaal dan ellipsvormig maken, maar onze meettechniek was consistent over alle lacunae en zou dus onze volumeschattingen niet moeten vertekenen.
Daarom werd het osteocyte volume geschat uitgaande van een scalene ellipsoïde vorm met de volgende formule: volume = 4/3 × π × lange as × middenas × korte as . Deze volumes werden geregresseerd tegen dezelfde vijf biologische parameters (genoomgrootte (pg), lichaamsgewicht (g), groeisnelheidsconstante k (dag-1), massaspecifieke basale stofwisselingssnelheid (W g-1), droog erytrocytenoppervlak (μm2)) samengesteld door D’Emic & Benson (; elektronisch aanvullend materiaal) met behulp van dezelfde R-pakketten en code gearchiveerd bij Dryad (https://doi.org/10.5061/dryad.ct40s). De biologische parameters waren niet gelijkmatig beschikbaar voor alle bemonsterde taxa, dus werden de gegevens vóór elke regressie op de juiste manier geparseerd. Drie regressiemodellen werden gebruikt voor elk van de vijf regressies van een biologische parameter op het volume van de osteocytische lacune. Het eerste model veronderstelde geen fylogenetische invloed op de gegevens (λ = 0), het tweede model schatte λ volgens een Brownse beweging model van evolutie (λ = 1) en het derde model schatte λ volgens maximale waarschijnlijkheid. Deze modellen werden vergeleken met behulp van gecorrigeerde Akaike-informatiecriterium (AICc)-gewichten om het meest waarschijnlijke model te selecteren. Tenslotte werden deze regressies vergeleken met de eerdere DO-afgeleide osteocyte lacunar volume regressies.
Resultaten en discussie
De significante en matige relaties tussen aviaire SO-afgeleide osteocyte lacunar volume en genoomgrootte of lichaamsmassa die werden gevonden met DO-afgeleide osteocyte lacunae blijven gehandhaafd, hoewel ze beide iets zwakker zijn (figuur 2 en tabel 1). De verbanden tussen volume en groeisnelheid of metabolisme verdwijnen wanneer alleen SO-afgeleide osteocyten worden onderzocht. In zowel DO- als SO-afgeleide osteocyten is er geen verband tussen lacunair volume en erytrocytgrootte. Alleen het verband tussen lacunair volume en genoomgrootte is significant, onafhankelijk van de lichaamsmassa (p = 0,008, λ = 0, AIC gewicht = 0,58).
Figuur 2. Vergelijking van regressiemodellen voor elke parameter tussen DO-afgeleid (i) en SO-afgeleid (ii) lacunair volume van osteocyten. Voor zowel DO-afgeleide als SO-afgeleide osteocyten: (a) lacunair volume versus lichaamsmassa; (b) lacunair volume versus genoomgrootte; (c) lacunair volume versus groeisnelheid; (d) lacunair volume versus massaspecifieke basale metabolische snelheid; (e) lacunair volume versus droge erytrocytgrootte. In alle grafieken is de ononderbroken zwarte lijn de gewone kleinste kwadraten (OLS) regressielijn (λ = 0), de ononderbroken grijze lijnen geven het betrouwbaarheidsinterval weer, de onderbroken lijn is de fylogenetische gegeneraliseerde kleinste kwadraten (PGLS) regressielijn waarbij λ = 1, en de stippellijn is de fylogenetische regressielijn waarbij de λ aan de gegevens is aangepast (tabel 1). De silhouetten op de DO-afgeleide osteocyte lacunar volume versus lichaamsmassa grafiek zijn beelden van de kardinaal (image credit: Scott Hartman) en Rhea (image credit: Darren Naish, gevectoriseerd door Michael Keesey, https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/), twee vogels in de buurt van de relatieve uiteinden van de lichaamsmassa distributie bemonsterd in deze studie. (Online versie in kleur.)
| regressiemodel | n | AICc wt | R2 | λ |
|---|---|---|---|---|
| genoomgrootte | 19 | 0.58 | 0.38 | 0 |
| lichaamsmassa | 34 | 0.58 | 0.26 | 0 |
| groeisnelheid | 15 | 0.005 | 0.09 | 1 |
| metabolisme | 21 | 0.03 | 0.01 | 0.18 |
| erytrocyt size | 10 | 0.015 | 0.02 | 1 |
Uw resultaten geven aan dat er voor het schatten van de grootte van het genoom of de lichaamsmassa van vogels op basis van het lacunaire volume van osteocyten geen significant verschil is tussen van DO en SO afgeleide osteocyten. Voor het schatten van de groeisnelheid of de metabolische snelheid, suggereren onze resultaten om alleen het DO-afgeleide osteocyten lacunaire volume te gebruiken. Noch van DO noch van SO afgeleide aviaire osteocyten lacunaire volumes zijn optimaal voor het schatten van de grootte van rode bloedcellen, omdat ze in beide gevallen niet gerelateerd waren. De verschillen tussen de van DO en SO afgeleide osteocyten bij vogels in hun relatie met andere biologische parameters zijn waarschijnlijk te wijten aan hun verschillende vormen en functies. Zowel DO-afgeleide als SO-afgeleide osteocyten zijn belangrijk in de groei van nieuw bot, waarbij SO-afgeleide cellen eerst steigers vormen, gevolgd door DO-afgeleide osteocyten die primaire osteonen vullen, maar onze resultaten suggereren dat het DO-afgeleide osteocytenvolume een betere indicator is van groei en metabolisme bij vogels. Dit is misschien gerelateerd aan de schaling van de vasculaire toevoer naar het bot naarmate de primaire osteonen worden opgevuld, waarbij het volume van DO-afgeleide osteocyten eerder de snelheid van weefselaanhechting binnen het osteon weerspiegelt dan de centripetale groeisnelheid van bot als een orgaan dat wordt geproduceerd als SO-afgeleide osteocyten koorden van weefsel rond neurovasculatuur ossificeren.
Onze resultaten hebben implicaties voor het gebruik van osteocyt lacunar volumemetingen voor de schatting van biologische parameters in fossiel bot. Paleogenomische studies die de grootte van het genoom van vogels en misschien van andere clades willen schatten, kunnen de grootste osteocyten blijven bemonsteren, zoals gebruikelijk is, omdat zowel van SO als van DO afgeleide osteocyten dezelfde positieve relatie met de genoomgrootte vertonen. In studies die de groeisnelheid of het metabolisme van vogels willen schatten, is het het beste om alleen DO-afgeleide osteocyten te bemonsteren, omdat deze parameters niet gerelateerd zijn aan de SO-afgeleide osteocyten lacunaire volumes. Toekomstige studies zouden onze conclusies moeten toetsen bij andere gewervelde dieren en botten met verschillende biomechanische belastingsregimes om na te gaan of de hier geopenbaarde cellulaire en histologische vorm-functie relaties zich ook uitstrekken tot andere bottypes en clades.
Toegankelijkheid van de gegevens
Bijdragen van de auteurs
M.D.D. ontwierp de studie en maakte de dunne coupes. O.G. verzamelde de gegevens van de dunne preparaten. Beide auteurs analyseerden de gegevens en schreven het artikel. Beide auteurs gaan ermee akkoord verantwoordelijk te zijn voor de inhoud van dit artikel, de definitieve versie van het manuscript goed te keuren en gaan ermee akkoord verantwoordelijk te zijn voor alle aspecten van het werk in het waarborgen dat vragen met betrekking tot de nauwkeurigheid of integriteit van een deel van het werk op de juiste wijze worden onderzocht en opgelost.
Belangen
We hebben geen concurrerende belangen.
Financiering
We hebben geen financiering ontvangen voor dit onderzoek.
Footnotes
Elektronisch aanvullend materiaal is online beschikbaar op https://dx.doi.org/10.6084/m9.figshare.c.4447739.
Published by the Royal Society. Alle rechten voorbehouden.