Biologer skaber bille med funktionelt ekstra øje

På "Game of Thrones, "en treøjet ravn har fortidens hemmeligheder, nutid og fremtid i et stort fantasy kongerige. Men for biologer i den virkelige verden, en "treøjet bille" kan give et sandt indblik i fremtiden for at studere evolutionær udvikling.

Ved hjælp af et simpelt genetisk værktøj, IU-forskere har med vilje dyrket et fuldt funktionelt ekstra øje i midten af ​​panden på den almindelige bille. At opklare de biologiske mekanismer bag denne forekomst kan hjælpe forskere med at forstå, hvordan evolution trækker på allerede eksisterende udviklingsmæssige og genetiske "byggesten" for at skabe nye komplekse træk, eller "gamle" træk på nye steder.

Undersøgelsens resultater vises i tidsskriftet Procedurer fra National Academy of Sciences . Værket giver også dybere indsigt i et tidligere eksperiment, der ved et uheld producerede et ekstra øje som en del af en undersøgelse for at forstå, hvordan insekthovedet udvikler sig.

"Udviklingsbiologi er smukt kompleks, delvis fordi der ikke er et enkelt gen for et øje, en hjerne, en sommerfugles vinge eller en skildpaddes skal, " sagde Armin P. Moczek, en professor ved IU Bloomington College of Arts and Sciences 'biologiske afdeling. "I stedet, tusindvis af individuelle gener og snesevis af udviklingsprocesser samles for at muliggøre dannelsen af ​​hver af disse egenskaber.

"Vi har også erfaret, at det at udvikle et nyt fysisk træk er meget som at bygge en ny struktur ud af Legos, ved at genbruge og rekombinere 'gamle' gener og udviklingsprocesser inden for nye sammenhænge. "

Som en konsekvens, udviklingen af ​​nye funktioner kræver ofte mange færre genetiske ændringer end biologer oprindeligt troede.

Men i modsætning til at omarrangere og kombinere legetøjsplaststen til en ny struktur, Moczek sagde, at det er uklart, hvilke biologiske mekanismer der styrer konstruktionen af ​​nye fysiske egenskaber under nogle omstændigheder, men ikke andre.

"Du kan lave nye ting igen og igen eller på nye steder ved at bruge det samme gamle sæt 'klodser', " sagde han. "Men i Lego, vi kender reglerne for samling:hvilke stykker går sammen, og hvilke ting gør ikke. I biologi, vi kæmper stadig for at forstå de respektive modparter. "

En af måderne, som videnskabsmænd har søgt for at få et klarere overblik over denne proces på, er ved at lokke væksten af ​​"ektopiske" organer - eller organer, der dannes på den forkerte del af kroppen. Tidligt arbejde i feltet har fokuseret på dannelsen af ​​frugtflueøjne på det forkerte sted, såsom på vingen eller benet. Imidlertid, disse eksperimenter krævede aktivering af store regulatoriske gener på det nye sted, en teknik, der er begrænset til kun få undersøgelsesorganismer. De resulterende "øjne" var heller aldrig fuldt funktionsdygtige.

Derimod den nye IU-ledede undersøgelse rapporterer om dannelsen af ​​et ekstra funktionelt øje – teknisk set, en "fusion" af to sæt ekstra øjne - efter at et enkelt gen blev slået ned, en teknik, der er bredt tilgængelig for forskere i de fleste organismer. Den uventede dannelse af et kompleks, funktionelt øje på et nyt sted i processen er "et bemærkelsesværdigt eksempel på udviklingssystemers evne til at kanalisere massive forstyrrelser mod ordnede og funktionelle resultater, " sagde Moczek.

For at skabe et fuldt funktionelt øje i midten af ​​en billes hoved, Moczeks team deaktiverede et enkelt gen kaldet ortodenticle, eller odt, som deres forskning tidligere har vist spiller en rolle i at instruere dannelsen af ​​hovedet under udviklingen.

"Denne undersøgelse forstyrrer eksperimentelt funktionen af ​​en enkelt, større gen, " sagde Moczek. "Og, som reaktion på denne forstyrrelse, resten af ​​hovedudviklingen omorganiserer sig selv for at producere et meget komplekst træk et nyt sted:et sammensat øje i midten af ​​hovedet.

"I øvrigt, den darn ting virker faktisk! "

For at bekræfte, at øjet var et ægte ekstra øje, IU-teamet udførte flere test for at bevise, at strukturen havde de samme celletyper, udtrykte de samme gener, voksede ordentlige nerveforbindelser og fremkaldte den samme adfærdsmæssige reaktion som et normalt øje. Det, der gør resultaterne så spændende - ud over øjets Frankenstein-nyhed - er den relativt simple genetiske teknik, der bruges til at opnå genet knockdown, sagde IU postdoc-forsker Eduardo E. Zattara, der er hovedforfatter på undersøgelsen.

Moczek sagde, at resultaterne også går ud over denne applikation for at hjælpe med at løse fundamentale spørgsmål i udviklingen, evolution og medicin. For eksempel, at forstå, hvordan komplekse organer organiserer deres vækst og integration i kroppen, er centrale udfordringer, lægevidenskaben skal overvinde for at udvikle kunstige organer til forskning og transplantation.

"Brugen af ​​ektopiske øjne er et meget tilgængeligt paradigme til at studere alt dette, på tværs af mange organismer, "Zattara sagde." Vi betragter denne undersøgelse som en virkelig åbning for nye undersøgelsesveje inden for flere discipliner. "