(Atrás da história do papel de “As articulações sinoviais estavam presentes no ancestral comum de peixe com mandíbulas, mas sem peixes sem mandíbulas”.)
As articulações sinoviais são maravilhas da evolução biológica, onde dois segmentos ósseos com geometrias articulares curvas se movem em relação uma à outra para produzir movimento e função (1). Por outro lado, juntas mecânicas como as presentes em dobradiças, máquinas e locomotivas presentes, também articulam, mas com geometrias mais simples, direções de movimento mais limitadas, um centro de rotação constante e sem lubrificação pure. Como as articulações sinoviais se desenvolvem me fascinaram, especialmente o papel da contração muscular na morfogênese articular. Vários estudos ao longo de várias décadas mostraram que, se os músculos dos embriões de tetrápodes, como camundongos e filhotes, estiverem paralisados, muitas de suas articulações sinoviais permanecem fundidas e não cavitam (2, 3). Eu queria estudar o papel da contração muscular embrionária na formação das geometrias da superfície articular, pois aprender esse relacionamento pode abrigar pistas sobre a relação estrutura-função dessas articulações e ajudar a projetar melhores próteses.
Para entender o processo de morfogênese articular, iniciei minha pesquisa de pós -doutorado no laboratório de Neil Shubin e mudei de trabalho de trabalho em matemática e biomecânica aplicada durante meu doutorado para a biologia evolutiva do desenvolvimento. Usando estudos de dissecção, identifiquei patins e tubarões como os potenciais organismos modelo para o estudo do desenvolvimento da articulação sinovial, pois exibiram uma grande amplitude de movimento nas articulações pélvicas e da mandíbula e foram compostas por geometrias articulares impressionantes. No entanto, aprendi rapidamente que não sabíamos se elasmobrânquios têm articulações sinoviais. Após investigações mais profundas, aprendi que a situação period ainda mais obscura; Não sabíamos quando as articulações sinoviais se originaram na árvore filogenética dos vertebrados! De onde vieram nossas juntas móveis? Fiquei intrigado com essa pergunta e escolhi investigar a evolução precoce das articulações sinoviais antes de investigar os processos da morfogênese da geometria articular.
Além de alguns estudos histológicos da década de 1950 em elasmobrânquios e quimeras que sugeriram a presença de articulações cavitadas, não havia investigações moleculares e de desenvolvimento mais profundas mostraram conclusivamente a existência de articulações sinoviais nesses grupos (4, 5). Para encontrar a origem das articulações sinoviais, enrolei minhas mangas e mergulhei para aprender as ferramentas, técnicas, pensamento científico e métodos de biologia de desenvolvimento molecular e evolutiva. Um estudo recente do Laboratório de Gage Crump na Universidade do Sul da Califórnia mostrou como os teleósteos como o peixe-zebra têm morfologia do tipo sinovial em sua mandíbula e articulações peitorais da barbatana (6). Identifiquei os dois clades de vertebrados que precedem os teleonses filogeneticamente com representantes, ciclostomos e elasmobrânquios existentes, para quem a morfologia conjunta não foi claramente entendida (Figura 1). Eu colecionei espécimes adultos e juvenis de lampreia e peixe-hags pertencentes aos ciclostomos sem queixo, e pequenos patins e tubarões de bambu pertencentes a elasmobrânquios da mandíbula e realizei estudos de micro-CT e estudos histológicos para mostrar que pequenos patins e bamboos tinham articulações cavitadas. No entanto, não encontramos nenhuma evidência de articulações cavitadas em ciclostomos como lampreia e hagfish.
Na ausência de articulações cavitadas, é inviável para que as articulações sinoviais existam porque precisam de superfícies articuladas e funcionar por deslizamento relativo. Portanto, concluímos que os ciclostomos não possuem articulações sinoviais e focamos apenas em testar se as articulações cavitadas de pequenos patins, pertencentes a condrichthyans, um grupo constituinte dentro de elasmobrânnchos, são como sinoviais. Os condrichthyanos têm um esqueleto cartilaginoso e, portanto, a definição convencional de articulações sinoviais, descrita como elementos ósseos cobertos por uma camada de cartilagem articular, não se aplica. No entanto, se pequenos patins tiverem articulações sinoviais, esperamos que a cartilagem articular e as regiões subarticulares sejam morfologicamente e desenvolvidas semelhantes aos tetrápodes. Para testar isso, investigei as proteínas de colágeno que compunham a cartilagem articular e subarticular na mandíbula de skate e nas articulações da pelve. Semelhante aos tetrápodes, a cartilagem subarticular nos pequenos patins period rica em colágeno-II, e a cartilagem articular em desenvolvimento no colágeno-I (Figura 2).
Para testar se a cavidade articular em pequenos patins é lubrificada, testei se estão presentes alguma proteínas lubrificantes em sua cartilagem articular (Figura 2). Eu me apresentei in situ Hibridação para localizar a expressão da lubricina, uma proteína -chave lubrificante secretada pela cartilagem articular e presente no líquido sinovial, como também mostrado na cartilagem articular do peixe -zebra (6). Como um recém -chegado sem experiência em técnicas de biologia molecular, não entendi o quão difícil in situ Experimentos de hibridação podem ser. Após vários experimentos fracassados para localizar a expressão de lubrifina em pequenos patins, encontrei um novo respeito pelos empreendimentos experimentais e desisti de procurar lubrifina (se alguém for bem -sucedido, informe -me!). Em vez disso, usando imunocoloração, mostrei a presença de outras proteínas, como receptores de aggrecano e ácido hialurônico na cartilagem articular, também uma parte da montagem de lubrificação (7, 8). Além disso, mostrei que vias de desenvolvimento semelhantes dependendo da sinalização Wnt e BMP estão subjacentes ao desenvolvimento articular em pequenos skate e tetrápodes. Finalmente, usando estudos de paralisia muscular, também mostramos que os sinais mecânicos da contração muscular são necessários para a cavitação articular em pequenos patins, semelhantes aos tetrápodes. Juntos, nossos resultados levantam a hipótese de que as articulações sinoviais evoluíram no ancestral comum de vertebrados ou gnatostomos com mandíbulas existentes.
O ecossistema de laboratório de Shubin é composto por biólogos, mecanobiologistas e paleontologistas do desenvolvimento. Assim, tive a oportunidade de participar de reuniões de laboratório que discutem uma ampla gama de abordagens e técnicas usadas para resolver problemas evolutivos. Nessas reuniões, aprendi como a árvore filogenética existente de vertebrados representava apenas uma lasca da diversidade actual dos vertebrados. A experimentação precoce em seus planos e morfologia corporal foi melhor compreendida criando uma árvore completa com fósseis intermediários (Figura 3). Eu me perguntei se sabíamos sobre a ocorrência mais antiga de articulações cavitadas semelhantes às articulações sinoviais atuais no registro fóssil, e a resposta foi não. A partir da rica filogenia dos vertebrados fósseis precoces, identifiquei osteostracos sem mandíbulas e antiarcos em mandíbulas como possíveis clados onde as articulações sinoviais poderiam ter se originado. Com a ajuda do membro do laboratório e da amiga Yara Haridy, eu realizei paleohistologia em Escuminaspis Laticepsum membro dos osteostracanos, para observar a articulação entre o escudo do ombro e a barbatana, e analisou as micro-CTs de placodermos de antiarcosos, Bothriolepis canadensis e Asterolepis ornata. Nossa análise ajudou a inferir que as articulações cavitadas existiam nos placodermos, mas não nos osteostracos. Portanto, colocamos minimamente a presença de primeiras articulações cavitadas do tipo sinovial em antiarcas, sugerindo que as articulações sinoviais se originaram no ancestral comum de todos os gnatostomos.
Com a conclusão deste estudo, emergi com mais compreensão da evolução e desenvolvimento precoce de articulações sinoviais do que quando comecei, mas ainda mais perguntas. Por exemplo, existem juntas sinoviais em dois tipos de esqueletos, endosqueléticos e dérmicos, dependendo de diferentes processos de desenvolvimento e regulação de genes (1). O esqueleto dérmico evoluiu antes do endosqueleto, e nossa inferência de articulações sinoviais nos placodermos sugere que eles primeiro evoluíram no esqueleto dérmico. Também mostramos que o endosqueleto Elasmobranch abriga as articulações sinoviais. Assim, a evolução do desenvolvimento e regulação díspar para formar juntas sinoviais funcional e morfologicamente semelhantes nos dois tipos de esqueleto permanece enigmático. Minhas caminhadas nas terras da biologia evolutiva do desenvolvimento me apresentaram um tesouro de problemas científicos que são importantes para estudar para entender a evolução de diversas formas e funções. No futuro, estou empolgado em entender melhor os processos de morfogênese e função da articulação sinovial combinando meu treinamento em mecânica, paleontologia e biologia do desenvolvimento com biologia computacional.
Referências
(1) Pallavi Juneja, Akul Munjal e John B Hubbard. Anatomia, articulações. 2018.
(2) Pleasure Kahn, Yulia Shwartz, Einat Blitz, Sharon Krief, Amnon Sharir, Dario A Breitel, Revital Rattenbach, Frederic Relaix, Pascal Maire, Ryan B Rountree, et al. A contração muscular é necessária para manter o destino das células progenitoras da articulação. Célula de desenvolvimento16 (5): 734-743, 2009.
(3) PDF Murray e Daniel B Drachman. O papel do movimento no desenvolvimento de articulações e estruturas relacionadas: a cabeça e o pescoço no embrião de pintinhos. Desenvolvimento22 (3): 349-371, 1969.
(4) DV Davies. As articulações sinoviais do skate (RAIA). Jornal de Anatomia82 (Pt 1-2): 9, 1948.
(5) R Wheeler Haines. Articulações eudiarthrodial em peixes. Jornal de Anatomia77 (Pt 1): 12, 1942.
(6) Amjad Askary, Joanna Smeeton, Sandeep Paul, Simone Schindler, Ingo Braasch, Nicholas A Ellis, John Postlethwait, Craig T Miller e J Gage Crump. Origem antiga de articulações lubrificadas em vertebrados ósseos. ELife5: E16415, 2016.
(7) Jasmine Seror, Yulia Merkher, Nir Kampf, Lisa Collinson, Anthony J Day, Alice Maroudas e Jacob Klein. Proteoglicanos da cartilagem articular como lubrificantes de fronteira: estrutura e interação friccional de complexos de hialuronanos e hialuronanos-agrecanos de superfície. Biomacromoléculas12 (10): 3432-3443, 2011.
(8) TS MOMBERGER, JR Levick e RM Mason. A secreção de hialuronano por sinoviócitos é mecanossensível. Matriz Biologia24 (8): 510-519, 2005.
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