Badania minogów morskich dają wgląd w ewolucję kręgowców, podkreślając podobieństwa w sieciach genów komórek macierzystych z kręgowcami szczękowymi i wyjaśniając różnice w tworzeniu szczęk. Źródło: T. Lawrence, Komisja ds. Rybołówstwa Wielkich Jezior A
Te inwazyjne, wysysające krew ryby „mogą być kluczem do zrozumienia, skąd pochodzimy”.
Jeden z zaledwie dwóch bezszczękowych kręgowceminogi morskie, które powodują znaczne szkody w rybołówstwie na Środkowym Zachodzie, pomagają także naukowcom w zrozumieniu pochodzenia dwóch kluczowych komórek macierzystych, które odegrały kluczową rolę w ewolucji kręgowców.
Uniwersytet Północno-Zachodni Biolodzy wskazali, kiedy sieć genów regulująca te komórki macierzyste mogła wyewoluować, i uzyskali wgląd w to, co może być odpowiedzialne za brakujące żuchwy minogów.
Obydwa typy komórek – pluripotencjalne komórki blastuli (lub embrionalne komórki macierzyste) i komórki grzebienia nerwowego – są „pluripotencjalne”, co oznacza, że mogą stać się wszystkimi innymi typami komórek w organizmie.
W nowym artykule naukowcy porównali geny minoga z genami Xenopus, żaby wodnej szczękowej. Korzystając z transkryptomiki porównawczej, badanie ujawniło uderzająco podobną sieć genów pluripotencji u kręgowców bezszczękowych i szczękowych, nawet na poziomie obfitości transkryptów kluczowych czynników regulacyjnych.
Różnice w ekspresji genów
Naukowcy odkryli jednak także kluczową różnicę. Podczas gdy oba gatunekKomórki blastuli wykazują ekspresję genu pou5, kluczowego regulatora komórek macierzystych; gen ten nie ulega ekspresji w komórkach macierzystych grzebienia nerwowego u minogów. Utrata tego czynnika mogła ograniczyć zdolność komórek grzebienia nerwowego do tworzenia typów komórek występujących u kręgowców szczękowych (zwierząt z kolcami), które tworzą głowę i szkielet szczęki.
Wyniki badania opublikowano niedawno w czasopiśmie Ekologia i ewolucja przyrody.
Porównując biologię kręgowców bezszczękowych i szczękowych, badacze mogą uzyskać wgląd w ewolucyjne pochodzenie cech definiujących kręgowce, w tym ludzi, w jaki sposób różnice w ekspresji genów przyczyniają się do kluczowych różnic w planie ciała oraz jak wyglądał wspólny przodek wszystkich kręgowców tak jak.
„Minogi mogą być kluczem do zrozumienia, skąd pochodzimy” – powiedziała Carole LaBonne z Northwestern, która kierowała badaniem. „Jeśli w biologii ewolucyjnej chcesz zrozumieć, skąd wzięła się dana cecha, nie możesz się doczekać bardziej złożonych kręgowców, które ewoluowały niezależnie przez 500 milionów lat. Musisz spojrzeć wstecz na najbardziej prymitywną wersję zwierzęcia, które badasz, co prowadzi nas z powrotem do śluzic i minogów — ostatnich żyjących przykładów kręgowców bezszczękowych”.
Ekspert w dziedzinie biologii rozwoju, LaBonne jest profesorem nauk biologicznych molekularnych w Weinberg College of Arts and Sciences. Kieruje katedrą Erastusa Otisa Havena i należy do kierownictwa nowego Narodowego Instytutu Teorii i Matematyki w Biologii Simonsa utworzonego przez National Science Foundation (NSF).
LaBonne i jej współpracownicy wykazali wcześniej, że pochodzenie rozwojowe komórek grzebienia nerwowego zostało powiązane z zachowaniem sieci regulacyjnej genów, która kontroluje pluripotencję w komórkach macierzystych blastuli. W nowym badaniu zbadali ewolucyjne pochodzenie powiązań między tymi dwiema populacjami komórek macierzystych.
Znaczenie komórek grzebienia nerwowego
„Komórki macierzyste grzebienia nerwowego są jak ewolucyjny zestaw Lego” – powiedział LaBonne. „Stają się bardzo różnymi typami komórek, w tym neuronami i mięśniami, a tym, co łączy wszystkie te typy komórek, jest wspólne pochodzenie rozwojowe w obrębie grzebienia nerwowego”.
Podczas gdy embrionalne komórki macierzyste w stadium blastuli tracą swoją pluripotencję i w miarę rozwoju zarodka dość szybko ograniczają się do różnych typów komórek, komórki grzebienia nerwowego zachowują molekularny zestaw narzędzi kontrolujący pluripotencję w późniejszym okresie rozwoju.
Zespół LaBonne’a odkrył całkowicie nienaruszoną sieć pluripotencji w komórkach blastuli minoga, komórkach macierzystych, których rola u kręgowców bezszczękowych była kwestią otwartą. Oznacza to, że populacje komórek macierzystych blastuli i grzebienia nerwowego kręgowców szczękowych i bezszczękowych współewoluowały u podstawy kręgowców.
Doktor habilitowany z Northwestern i pierwszy autor, Joshua York, zaobserwował „więcej podobieństw niż różnic” między minogiem a Xenopusem.
„Chociaż większość genów kontrolujących pluripotencję ulega ekspresji w grzebieniu nerwowym minoga, ekspresja jednego z kluczowych genów – pou5 – została utracona w tych komórkach” – powiedział York. „Co zaskakujące, chociaż pou5 nie ulega ekspresji w grzebieniu nerwowym minoga, może sprzyjać tworzeniu się grzebienia nerwowego, gdy wyrażamy go u żab, co sugeruje, że gen ten jest częścią starożytnej sieci pluripotencji, która była obecna u naszych najwcześniejszych przodków kręgowców”.
Eksperyment pomógł im także postawić hipotezę, że gen został utracony konkretnie u niektórych stworzeń, a nie u kręgowców ze szczękami, które rozwinęły się później.
„Kolejnym niezwykłym odkryciem badania jest to, że chociaż zwierzęta te dzieli 500 milionów lat ewolucji, istnieją rygorystyczne ograniczenia dotyczące poziomów ekspresji genów niezbędnych do promowania pluripotencji” – stwierdził LaBonne. „Najważniejszym pytaniem bez odpowiedzi jest: dlaczego?”
Odniesienie: „Wspólne cechy komórek macierzystych blastuli i grzebienia nerwowego ewoluowały u podstawy kręgowców” Joshua R. York, Anjali Rao, Paul B. Huber, Elizabeth N. Schock, Andrew Montequin, Sara Rigney i Carole LaBonne, 26 lipca 2024 r. , Ekologia i ewolucja przyrody.
DOI: 10.1038/s41559-024-02476-8
Gazeta została sfinansowana ze środków Narodowy Instytut Zdrowia (granty R01GM116538 i F32DE029113), NSF (grant 1764421), Fundacja Simonsa (grant SFARI 597491-RWC) i Fundacja Waldera za pośrednictwem Fundacji Badań nad Naukami Przyrodniczymi. Opracowanie poświęcone jest pamięci doktora Josepha Waldera.
