Introduction
Osteocyty pochodzące z osteogenezy statycznej (SO-derived osteocytes) różnicują się in situ z mezenchymy, tworzą się we wczesnym okresie wzrostu kości i działają jako rusztowanie dla późniejszego tworzenia kości przez osteocyty pochodzące z osteogenezy dynamicznej (DO-derived osteocytes). Osteocyty wywodzące się z SO są duże, tworzą równoramienne lacunae i są skupione w sznury, natomiast osteocyty wywodzące się z DO są mniejsze, tworzą wydłużone lacunae i są bardziej rozproszone w nieregularnych koncentrycznych kręgach wokół kanałów nerwowo-naczyniowych (ryc. 1). Laki osteocytowe odpowiadają swoim wymiarom podczas osteogenezy, a ich kształt jest związany z pełnioną funkcją. Laki osteocytowe są zwykle dobrze zachowane w kości kopalnej, oferując bogaty zestaw danych do rozwiązywania paleobiologicznych pytań dotyczących wymarłych zwierząt .
Rysunek 1. (a) Schemat pokazujący różnice w kształcie i orientacji osteocytów między osteocytami SO-pochodzącymi i DO-pochodzącymi. (b) Obraz histologiczny z kości udowej Accipiter cooperi z etykietami pokazującymi różnice między osteocytami SO-pochodnymi i DO-pochodnymi w wyglądzie kości. Na obu obrazach skróty są takie same: SO-derived osteocytes (SO), DO-derived osteocytes (DO), neurovascular canal (NVC), primary osteon (POn). (Wersja online w kolorze.)
Jednym z takich pytań jest to, jak rozmiar genomu zmieniał się w różnych kladach na przestrzeni historii ewolucji. Paleogenomika stara się odpowiedzieć na to pytanie za pomocą cech histologicznych związanych z wielkością genomu. Przeprowadzono wiele badań w celu zbadania możliwego związku między rozmiarem komórek a rozmiarem genomu i czy dowody histologiczne mogą zaoferować wystarczający sygnał do oszacowania rozmiaru genomu dla wymarłych zwierząt. Dodatkowo, rozmiar czerwonych krwinek może być związany z tempem metabolizmu dzięki funkcji komórek w transporcie tlenu. Jeśli istnieje znaczący sygnał metaboliczny w wielkości czerwonych krwinek, może być również stosowany do oszacowania parametrów metabolicznych u wymarłych zwierząt .
W jednym badaniu, które próbowało wywnioskować parametry paleobiologiczne z wymiarów lakunarnych osteocytów, D’Emic & Benson zmierzył objętości lakunarne w wymarłych ptaków i regresji tych objętości wobec znanych parametrów biologicznych, w tym maksymalnej stałej szybkości wzrostu k, specyficzne dla masy tempo metabolizmu, rozmiar czerwonych krwinek i rozmiar genomu. Stwierdzono umiarkowane zależności pomiędzy objętością osteocytów lacuna a wielkością genomu i masą ciała oraz słabe zależności pomiędzy objętością osteocytów lacuna a tempem metabolizmu i tempem wzrostu. Nie znaleziono związku z wielkością erytrocytów, choć niewiele punktów danych było dostępnych do regresji. Zmierzyli oni tylko lakuny osteocytów pochodzących od DO, ale w badaniach paleogenomicznych często mierzy się największe lakuny, w których prawdopodobnie znajdowały się osteocyty pochodzące od SO. Niniejsze badanie ma na celu ponowną analizę zbioru danych D’Emic & Benson (; elektroniczny materiał uzupełniający) poprzez pomiar tylko tych objętości luk osteocytowych pochodzących od SO i regresję objętości względem tego samego zestawu parametrów. Pozwoli nam to ocenić dwa pytania: (1) czy istnieje różnica w relacjach forma-funkcja na poziomie komórkowym pomiędzy osteocytami pochodzącymi z SO versus z DO? oraz (2) czy osteocyty pochodzące z SO czy z DO są lepsze do przewidywania parametrów fizjologicznych u wymarłych ptaków, a może i innych kręgowców?
Materiał i metody
D’Emic & Benson (; elektroniczny materiał uzupełniający) skompilował zestaw obrazów podłużnie i poprzecznie wyciętych, przygotowanych szlifowanych cienkich przekrojów śródszpikowych kości udowej od 34 wymarłych ptaków. Ten sam zestaw obrazów użyty w ich pracy został pobrany z ich danych uzupełniających z otwartym dostępem (https://doi.org/10.5061/dryad.ct40s) i wykonano nowy zestaw pomiarów. Laki osteocytarne pochodzenia DO zostały zignorowane i zmierzono tylko laki osteocytarne pochodzenia SO. Wykonano co najmniej 10 pomiarów osi krótkiej i długiej z SO-pochodnych osteocytów z każdego obrazu, co dało zbiór danych 3836 pomiarów osi lakunarnej. Laki osteocytowe pochodzące z SO są czasami zbiegające się; te duże, nieregularne, zbiegające się luki zostały wykluczone z naszych pomiarów. Zarówno statycznie, jak i dynamicznie powstające osteocytarne lacunae wyglądają jak elipsoidy z wrzecionem, zgodnie z transmisyjną mikroskopią elektronową i badaniami microCT. Niektóre statycznie wyprowadzone lakuny osteocytowe mają projekcje, które sprawiają, że są bardziej piramidalne niż elipsoidalne, ale nasza technika pomiarowa była spójna we wszystkich lakunach, a zatem nie powinna pochylać naszych szacunków objętości.
W związku z tym objętość osteocytów została oszacowana przy założeniu skalennego kształtu elipsoidy z następującym wzorem: objętość = 4/3 × π × oś długa × oś pośrednia × oś krótka . Te objętości zostały poddane regresji względem tych samych pięciu parametrów biologicznych (rozmiar genomu (pg), masa ciała (g), stała tempa wzrostu k (dzień-1), specyficzna dla masy podstawowa przemiana materii (W g-1), powierzchnia suchych erytrocytów (μm2)) zestawionych przez D’Emic & Benson (; elektroniczny materiał uzupełniający) przy użyciu tych samych pakietów R i kodu zarchiwizowanego w Dryad (https://doi.org/10.5061/dryad.ct40s). Parametry biologiczne nie były równomiernie dostępne dla wszystkich próbkowanych taksonów, więc dane zostały odpowiednio sparsowane przed każdą regresją. Dla każdej z pięciu regresji parametru biologicznego na objętość lacuny osteocytowej zastosowano trzy modele regresji. Pierwszy z nich zakładał brak wpływu filogenetycznego na dane (λ = 0), drugi szacował λ zgodnie z modelem ewolucji opartym na ruchu Browna (λ = 1), a trzeci szacował λ zgodnie z maksymalnym prawdopodobieństwem. Modele te zostały porównane przy użyciu skorygowanych wag kryterium informacyjnego Akaike (AICc) w celu wybrania najbardziej prawdopodobnego modelu. Wreszcie, te regresje porównano z poprzednimi regresjami objętości lakunarnej osteocytów pochodzących z DO.
Wyniki i dyskusja
Znaczące i umiarkowane związki między objętością lakunarną osteocytów pochodzących z SO ptaków a rozmiarem genomu lub masą ciała, które znaleziono z lakunarnymi osteocytami pochodzącymi z DO, są utrzymane, chociaż oba są nieco słabsze (ryc. 2 i tabela 1). Zależności między objętością a tempem wzrostu czy tempem metabolizmu znikają, gdy badamy tylko osteocyty pochodzące z SO. Zarówno w osteocytach pochodzących z DO, jak i z SO nie ma zależności między objętością lacunar a wielkością erytrocytów. Jedynie zależność pomiędzy objętością lacunarną a wielkością genomu jest istotna niezależnie od masy ciała (p = 0,008, λ = 0, AIC wagi = 0,58).
Rycina 2. Porównanie modeli regresji dla każdego parametru pomiędzy DO-derived (i) i SO-derived (ii) osteocyte lacunar volume. Zarówno dla osteocytów pochodzących z DO, jak i z SO: (a) objętość lakunarna versus masa ciała; (b) objętość lakunarna versus rozmiar genomu; (c) objętość lakunarna versus tempo wzrostu; (d) objętość lakunarna versus specyficzna dla masy podstawowa szybkość metabolizmu; (e) objętość lakunarna versus rozmiar suchego erytrocytu. Na wszystkich wykresach, czarna linia ciągła jest linią regresji OLS (λ = 0), szare linie ciągłe reprezentują przedział ufności, linia przerywana jest linią regresji PGLS (λ = 1), a linia przerywana jest linią regresji filogenetycznej, gdzie λ jest dopasowana do danych (tabela 1). Sylwetki na wykresie DO-derived osteocyte lacunar volume versus body mass to obrazy kardynała (image credit: Scott Hartman) i Rhea (image credit: Darren Naish, zwektoryzowany przez Michaela Keeseya, https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/), dwóch ptaków blisko względnych końców rozkładu masy ciała próbkowanego w tym badaniu. (Wersja online w kolorze.)
| model regresji | n | AICc wt | R2 | λ |
|---|---|---|---|---|
| rozmiar genomu | 19 | 0.58 | 0,38 | 0 |
| masa ciała | 34 | 0,58 | 0,26 | 0 |
| szybkość wzrostu | 15 | 0.005 | 0.09 | 1 |
| szybkość metabolizmu | 21 | 0.03 | 0.01 | 0.18 |
| rozmiar erytrocytów | 10 | 0.015 | 0.02 | 1 |
Nasze wyniki wskazują, że dla celów oszacowania wielkości genomu ptaków lub masy ciała na podstawie objętości lakunarnej osteocytów, nie ma znaczącej różnicy pomiędzy osteocytami pochodzącymi z DO i osteocytami pochodzącymi z SO. W przypadku szacowania tempa wzrostu lub tempa metabolizmu, nasze wyniki sugerują użycie tylko objętości lakunarnej osteocytów pochodzących z DO. Ani DO-pochodzące, ani SO-pochodzące z osteocytów ptasich nie są optymalne do szacowania wielkości krwinek czerwonych, ponieważ w obu przypadkach nie były one powiązane. Różnice pomiędzy osteocytami pochodzącymi od ptaków DO i SO w ich związkach z innymi parametrami biologicznymi wynikają najprawdopodobniej z ich odmiennych kształtów i funkcji. Zarówno osteocyty pochodzące z DO jak i SO są ważne w procesie wzrostu nowej kości, przy czym komórki pochodzące z SO najpierw tworzą rusztowania, a następnie osteocyty pochodzące z DO wypełniają pierwotne osteony, ale nasze wyniki sugerują, że objętość osteocytów pochodzących z DO jest lepszym wskaźnikiem wzrostu i tempa metabolizmu u ptaków. Jest to być może związane ze skalowaniem zaopatrzenia naczyniowego kości w miarę wypełniania jej pierwotnych osteonów, przy czym objętość lakunarna osteocytów pochodzących z DO odzwierciedla tempo apozycji tkanki w obrębie osteonu, a nie tempo dośrodkowe wzrostu kości jako organu wytwarzanego w miarę kostnienia przez osteocyty pochodzące z SO, które tworzą sznury tkanki wokół neurowaskularyzacji.
Nasze wyniki mają implikacje dla stosowania pomiarów objętości lakunarnej osteocytów do szacowania parametrów biologicznych w kości kopalnej. Badania paleogenomiczne, których celem jest oszacowanie rozmiarów genomu ptaków i być może innych kladów, mogą nadal pobierać próbki największych osteocytów, tak jak to jest przyjęte w konwencji, ponieważ zarówno osteocyty pochodzące z SO jak i z DO wykazują ten sam pozytywny związek z rozmiarem genomu. W badaniach mających na celu oszacowanie tempa wzrostu ptaków lub tempa metabolizmu, najlepiej jest pobierać próbki tylko z osteocytów pochodzących z DO, ponieważ te parametry nie są związane z objętością lakunarną osteocytów pochodzących z SO. Przyszłe badania powinny przetestować nasze wnioski na innych kręgowcach i kościach z różnymi biomechanicznymi reżimami obciążenia w celu zbadania, czy komórkowe i histologiczne zależności forma-funkcja ujawnione tutaj rozciągają się na inne typy kości i klady, jak również.
Dostępność danych
Wkład autorów
M.D.D. zaprojektował badanie i wykonał cienkie przekroje. O.G. zebrał dane z cienkich przekrojów. Obaj autorzy przeanalizowali dane i napisali pracę. Obaj autorzy zgadzają się ponosić odpowiedzialność za treść tej pracy, zatwierdzają ostateczną wersję manuskryptu i zgadzają się ponosić odpowiedzialność za wszystkie aspekty pracy w zapewnieniu, że pytania związane z dokładnością lub integralnością jakiejkolwiek części pracy są odpowiednio zbadane i rozwiązane.
Konkurencyjne interesy
Nie mamy konkurencyjnych interesów.
Finansowanie
Nie otrzymaliśmy żadnych funduszy na to badanie.
Przypisy
Elektroniczne materiały uzupełniające są dostępne online pod adresem https://dx.doi.org/10.6084/m9.figshare.c.4447739.
Published by the Royal Society. All rights reserved.
.