Biologer ser til fortiden for tidlig genetisk udvikling af bittesmå edderkoppe- og insektøjne

Med de stigende fordele ved DNA-sekventering, Biologer fra University of Cincinnati er ved at optrevle mange evolutionære mysterier bag den komplekse verden af ​​edderkoppesyn.

At se nærmere på den mystiske genetiske plan for, hvordan disse peepers udviklede sig og fungerer, hjælper forskerne med at se store muligheder for fremtidig forskning. Nye undersøgelser kan omfatte genterapi hos mennesker med synsproblemer som makuladegeneration eller retinal cancer.

For at komme til disse muligheder videnskabsmænd som Nathan Morehouse, UC adjunkt i biologi, måtte se til for 500 millioner år siden til en tid kaldet den kambriske periode for at sætte udviklingen af ​​edderkoppeøje-gener i perspektiv.

"Det, vi fandt, er, at vi går fra ældgamle, bløde akvatiske leddyr uden øjne, eller i det mindste øjne, der ikke fossiler godt, til pludselig øjne, der ligner de øjne, vi ser på insekter og landdyr i dag, med stort set intet imellem disse stadier, " siger Morehouse.

Og ved "pludselig, "Morehouse taler om en lille evolutionær periode på 50 millioner år.

"Men for fossiloptegnelsen, 50 millioner år er meget kort tid at gå fra ingen øjne til øjne, som vi har i dag, " tilføjer han.

Mens primitive edderkopper og insekter kom på land som to totalt adskilte grupper, de har sandsynligvis båret nogle af de samme udviklingsmønstre med sig til at bygge deres øjne.

"Vi kan bruge nye genetiske beviser fra insekter som udgangspunkt for at identificere vigtige gener, der styrer øjenudviklingen hos edderkopper, " siger Morehouse. "Dette vil begejstre edderkoppebiologer og folk, der generelt er interesserede i syn, til at tænke på nye måder at opbygge bedre syn på. Vi er ikke helt der med hensyn til tekniske løsninger til at bygge organiske øjne endnu, men det er forhåbentlig i vores fremtid."

Morehouse præsenterede sine resultater om spider vision udviklingsgenetik på 2018 Society for Integrative and Comparative Biology Conference i San Francisco i januar.

Denne forskning er også en del af et større projekt for nylig offentliggjort i tidsskriftet The Biologisk Bulletin , med titlen "Molecular Evolution of Spider Vision:New Opportunities, Kendte spillere, " af Morehouse; Elke Buschbeck, UC professor i biologi; Daniel Zurek, postdoc i UC's biologiafdeling og forskere fra University of Hawaii i Manoa.

Fancy fremsyn

Denne samarbejdsundersøgelse hjælper med at beskrive det grundlæggende for, hvordan edderkopper udviklede sig fra en gammel leddyr med et sammensat øje med masser af facetter - de sekskantede lysfølsomme enheder, der udgør et sammensat øje - til flere øjne med kun få facetter.

En af måderne de gør det på, siger forskerne, er at tage en masse facetter eller synsceller og bare smelte en linse ovenpå. Den anden er at tage en enkelt facet og bare gøre den større og så tilføje flere lysfølsomme celler nedenunder under embryonal udvikling.

"Vi tror, ​​at i den kambriske periode, for mere end 500 millioner år siden, Gamle leddyr havde to store sammensatte øjne, der ligner moderne frugtfluer, " siger Buschbeck. "Men på et eller andet evolutionært tidspunkt i edderkopper opdeles det sammensatte øje sandsynligvis i et par mediale eller centrale øjne foran og et par laterale sammensatte øjne fundet på siderne af hovedet. Men ifølge de beviser, vi afslørede, de kan have bevaret det gamle netværk af gener for at bygge dem."

Mens insekter og edderkopper vides at have udviklet sig på samme tid i den kambriske periode, Morehouse siger, at de endte helt andre steder. De brugte det samme grundlæggende værktøjssæt til at bygge deres øjne, men de præcise detaljer i generne er lidt anderledes.

"Års omhyggelig udviklingsgenetik har vist os, hvordan frugtfluer byggede deres sammensatte øjne og mediale øjne - eller ocelli - fra netværk af interagerende gener, " siger Morehouse. "Så vi så på, om disse gener spiller nøjagtig den samme rolle i edderkopper, eller om rollerne ændrede sig. Og i edderkopper finder vi den samme plan stadig der i det mindste i groft kopi!"

Visuel plan

Dette fænomen giver også en kritisk konsekvens for de otte-øjede miniaturedyr, som Morehouse siger, at de ikke kan tilføje flere fotoreceptorceller til deres nethinde, når først linsen er sat ovenpå. Efter at have set nærmere på de udviklende retinale celler fandt forskerne ud af, at edderkopper bygger deres øjne som små embryoner komplet med alle de retinale celler, de nogensinde får brug for, og så satte linsen ovenpå.

Så hvordan løser de problemet med at have et stort antal nethindeceller tæt pakket ind i et hoved en tiendedel på størrelse med en voksen edderkop?

Det viser sig, at de tætpakkede celler har flere små pixels, end deres linse rent faktisk kan løse, hvilket resulterer i, at der tages prøver af det samme punkt i rummet mange gange i stedet for én gang. Men de små blæksprutter skal muligvis udføre usædvanlige optiske tricks for at behandle deres slørede syn. Dette er ikke den "smarteste" måde at konstruere et øje på, siger forskerne. Kameradesignere forsøger at matche opløsningen af ​​kamerasensoren til objektivets opløsningsevne.

"En af de mest fascinerende indsigter her er, at fordi vi forstår det genetiske grundlag for, hvordan de bygger disse øjne, kan vi forstå, hvorfor de gør ting som at putte alle disse retinale celler ind i dette lille dyr, " siger Morehouse. "Hvad der ser ud til at være en dum idé fra et strengt visuelt synspunkt, viser sig at være en del af planen fra den 500 millioner år gamle leddyr."

Det kræver grundforskning som denne at forstå den indviklede genetiske udvikling, men forskerne siger, at det åbner nogle virkelig fede muligheder for fremtidig bioteknologi.

Bug-eyed babyer

"Vi ville aldrig have talt antallet af nethindeceller i disse små unge, hvis vi ikke havde haft mistanke om dette tidligt, " tilføjer han.

På trods af størrelsesulempen og celleoverfyldning, forskerne finder, at de unge laver mange af de sofistikerede ting, deres storebrødre kan gøre, såsom at dechifrere mellem forskellige slags byttedyr som en myg versus en flue.

Mens Morehouse beskriver denne forskning som begyndelsen til at forstå fordelene og ulemperne ved at bygge øjne på denne måde, ser han store muligheder for at efterligne små visuelle systemer for at producere sensorer, der er mindre end nogen i almindelig brug i dag.

"Hvis vi skal bygge en linse for at være lille, mindre end nogen sensor lige nu og lille nok til let at blive sluget som en pille til endoskopisk arbejde, det er muligt, at disse edderkopper kan føre til bioteknologier, vi aldrig har forestillet os, " siger Morehouse.

"Disse edderkopper har gjort nogle virkelig smarte ting ved deres linser, formen af ​​deres nethinder og størrelsen af ​​deres nethindeceller, der hjælper dem med at overvinde utrolige udfordringer."

Andre overraskende fund afslørede unikke mønstre for retinal celledød hos unge edderkopper. Når nethindeceller dør, er der meget større sandsynlighed for, at de dør i midten af ​​nethinden end i periferien, som forskerne siger er præcis, hvad der sker hos mennesker med alderen og problemet med makuladegeneration.

"Fordi vi ser den slags ændringer, der sker i springende edderkopper, når de bliver fodret med dårlige kostvaner, kan vi opdage ting, der hjælper os med bedre at forstå makuladegeneration og andre menneskecentrerede problemer, " siger Morehouse og Buschbeck.

Edderkoppesyn på Mars

Selvom dette projekt stadig betragtes som grundlæggende videnskab, Morehouse forklarer grundlæggende videnskab som kun begrænset af naturens kreativitet.

Han peger på Mars Rover som et eksempel på at bruge optik, der var inspireret af springende edderkoppesyn. Tidligere forskning afslørede, hvordan springende edderkopper opnår bedre skarphed ud af et lille synssystem ved at flytte sensoren rundt bag deres linse. Dette inspirerede NASA til at bygge en sensor til Rover, der bevæger sig rundt bag sine kameralinser, giver nu bedre billeddannelse på Mars.

"Det, vi har gjort her, er at bruge information om edderkoppernes gamle historie til at lede efter gener, der deltager i synet, og vi har fundet ud af, at mange af vores uddannede gæt er korrekte, " siger Morehouse. "Der er genetiske ligheder i insekter, som også bliver brugt på forudsigelige måder i edderkopper. Dette åbner et helt sæt nyt arbejde for at forstå, hvordan edderkoppesyn, mens det er unikt, kan ligne eller anderledes end det, vi kender fra pattedyrssyn som vores eget.

"Der er faktisk indsigt, der kommer fra arbejde med frugtfluer, der har hjulpet menneskers sundhed, så det er meget muligt, at det næste, vi lærer om menneskesyn, kommer fra edderkopper."