An integrative model of chimera jaw links mechanical stress to localized cartilage mineralization - Archive ouverte HAL
Pré-Publication, Document De Travail Année : 2024

An integrative model of chimera jaw links mechanical stress to localized cartilage mineralization

Un modèle intégratif de mâchoire de chimère relie le stress mécanique à la minéralisation localisée du cartilage.

Résumé

Chondrichthyans possess a tessellated cartilage which is characterized by a layer of mineralized minute plates (i.e. the tesserae) that sheathe soft cartilage. This tissue type composes most of the endoskeleton (including the fins, the branchial arches and the skull). Using the example of the adaptation of Holocephalans to durophagy, here we aim to test the capacity of the tessellated cartilage to strengthen in response to mechanical stress. Relying on an integrative approach (i.e. cranial muscle dissections, finite element models, histological cross sections and embryologic data), we strongly argue that chondrichthyans are capable of calcifying their endoskeleton in response to mechanical stress by mimicking bone microstructures (i.e. cortical thickness and formation of trabeculae). In absence of bone cells, this mechanism relies on the calcification of Liesegang waves around the chondrocytes that might possess mechanosensing properties. This cartilage ability may have been inherited from the early jawless vertebrates before it played a critical role in the evolution of chondrichthyans who subsequently lost the bony skeleton before thriving through 400 million years and surviving four major extinction crises. Indeed, this ability to mineralize cartilage would have allowed to grow a high diversity of mechanically demanding adaptations within "bone-less" vertebrates.

Les chondrichtyens possèdent un cartilage tessellé qui se caractérise par une strate de petites plaques minéralisées (i.e. les tesselles) recouvrant le cartilage hyalin. Ce type de tissu compose la majeure partie de l'endosquelette (y compris les nageoires, les arcs branchiaux et le crâne). En prenant l'exemple de l'adaptation des Holocéphales à la durophagie, nous visons à tester la capacité du cartilage tessellé à se renforcer en réponse au stress mécanique. En nous appuyant sur une approche intégrative (incluant des dissections des muscles crâniens, des analyses en éléments finis, des coupes histologiques et des données embryologiques), nous soutenons que les chondrichtyens sont capables de calcifier leur endosquelette en réponse au stress mécanique en imitant les microstructures osseuses (i.e. l'épaississement cortical et la formation de trabécules). En l'absence de cellules osseuses, ce mécanisme repose sur la calcification d’anneaux de Liesegang autour des chondrocytes, qui pourraient ainsi posséder des propriétés de mécanoréceptrices. Cette capacité du cartilage pourrait alors avoir été héritée des premiers vertébrés sans mâchoires avant de jouer un rôle crucial dans l'évolution des chondrichtyens, qui ont perdu le squelette osseux avant de prospérer au travers de 400 millions d'années et à survivre à quatre crises d'extinctions majeures. En effet, une telle propriété cellulaire aurait permis le développement d'une grande diversité d'adaptations biomécaniques chez des vertébrés « sans os ».
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Clarac et al. Palevol 2025 Preprint.pdf (1.39 Mo) Télécharger le fichier
Origine Fichiers produits par l'(les) auteur(s)

Dates et versions

hal-04838256 , version 1 (14-12-2024)

Identifiants

  • HAL Id : hal-04838256 , version 1

Citer

Francois Clarac, A Sanchez-Gimeno, A Quilhac, A Herrel, Q Grimal, et al.. An integrative model of chimera jaw links mechanical stress to localized cartilage mineralization. 2024. ⟨hal-04838256⟩
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