Udforskning af mangfoldighed i celledeling:Undersøgelse undersøger evolutionsprocessen, der understøtter forskellige livscyklusser

Ny forskning fra EMBL-forskere viser, hvordan forskellige former for celledeling brugt af dyr og svampe kan have udviklet sig til at understøtte forskellige livscyklusser.

Celledeling er en af ​​de mest fundamentale processer i livet. Fra bakterier til blåhvaler er ethvert levende væsen på Jorden afhængig af celledeling for vækst, reproduktion og arternes overlevelse. Alligevel er der bemærkelsesværdig mangfoldighed i den måde, forskellige organismer udfører denne universelle proces på.

En ny undersøgelse fra EMBL Heidelbergs Dey-gruppe og deres samarbejdspartnere, for nylig offentliggjort i Nature , udforsker, hvordan forskellige former for celledeling udviklede sig i nære slægtninge til svampe og dyr, og demonstrerer for første gang sammenhængen mellem en organismes livscyklus og den måde, deres celler deler sig på.

På trods af, at de sidst delte en fælles forfader for over en milliard år siden, ligner dyr og svampe hinanden på mange måder. Begge tilhører en bredere gruppe kaldet "eukaryoter" - organismer, hvis celler opbevarer deres genetiske materiale inde i et lukket rum kaldet "kernen". De to adskiller sig imidlertid i, hvordan de udfører mange fysiologiske processer, inklusive den mest almindelige type celledeling - mitose.

De fleste dyreceller gennemgår "åben" mitose, hvor kernehylsteret - den to-lags membran, der adskiller kernen fra resten af ​​cellen - nedbrydes, når celledeling begynder. De fleste svampe bruger dog en anden form for celledeling - kaldet "lukket" mitose - hvor kernehylsteret forbliver intakt under hele delingsprocessen.

Der vides meget lidt om, hvorfor eller hvordan disse to forskellige former for celledeling udviklede sig, og hvilke faktorer der bestemmer, hvilken tilstand der overvejende vil blive efterfulgt af en bestemt art.

Dette spørgsmål fangede videnskabsmænd i Dey-gruppen ved EMBL Heidelberg, som undersøger den evolutionære oprindelse af kernen og celledeling.

"Ved at studere mangfoldighed på tværs af organismer og rekonstruere, hvordan tingene udviklede sig, kan vi begynde at spørge, om der er universelle regler, der ligger til grund for, hvordan sådanne fundamentale biologiske processer fungerer," sagde Gautam Dey, gruppeleder hos EMBL Heidelberg.

I 2020, under COVID-19-lockdownen, voksede en uventet vej til at besvare dette spørgsmål ud af diskussioner mellem Deys gruppe og Omaya Dudins team ved det schweiziske føderale teknologiske institut (EPFL), Lausanne. Dudin er ekspert i en usædvanlig gruppe af marine protister - Ichthyosporea. Ichthyosporea er nært beslægtet med både svampe og dyr, hvor forskellige arter ligger tættere på den ene eller den anden gruppe på det evolutionære stamtræ.

Dey- og Dudin-grupperne besluttede i samarbejde med Yannick Schwabs gruppe på EMBL Heidelberg at undersøge oprindelsen af ​​åben og lukket mitose ved at bruge Ichthyosporea som model. Interessant nok fandt forskerne, at visse arter af Ichthyosporea gennemgår lukket mitose, mens andre gennemgår åben mitose. Derfor kunne de ved at sammenligne og kontrastere deres biologi opnå indsigt i, hvordan organismer tilpasser sig og bruger disse to celledelingstilstande.

Hiral Shah, en EIPOD-stipendiat, der arbejder på tværs af de tre grupper, ledede undersøgelsen. "Efter at have erkendt meget tidligt, at Ichthyosporea, med deres mange kerner og nøgleposition mellem dyr og svampe, var velegnede til at løse dette spørgsmål, var det klart, at dette ville kræve at samle den cellebiologiske og tekniske ekspertise hos Dey, Dudin , og Schwab-grupper, og det er præcis, hvad EIPOD-fællesskabet tillod mig at gøre," sagde Shah.

Efter at have undersøgt mekanismerne for celledeling i to arter af Ichthyosporeaner, fandt forskerne ud af, at en art, S. arctica, favoriserer lukket mitose, svarende til svampe. S. arctica har også en livscyklus med et multinukleat stadium, hvor mange kerner eksisterer i den samme celle – en anden egenskab, der deles med mange svampearter såvel som de fosterstadier hos visse dyr, såsom frugtfluer.

En anden art, C. perkinsii, viste sig at være meget mere dyrelignende, idet den var afhængig af åben mitose. Dens livscyklus involverer primært mononukleære stadier, hvor hver celle har en enkelt kerne.

"Vores resultater førte til den centrale konklusion, at den måde, dyreceller gør mitose på, udviklede sig hundreder af millioner af år før dyr gjorde. Arbejdet har derfor direkte implikationer for vores generelle forståelse af, hvordan eukaryote celledelingsmekanismer udvikler sig og diversificerer i sammenhæng med forskelligartet liv cykler og giver en nøglebrik i puslespillet om dyrs oprindelse," sagde Dey.

Undersøgelsen kombinerede ekspertise inden for komparativ fylogenetik, elektronmikroskopi (fra Schwab-gruppen og elektronmikroskopi-kernefaciliteten (EMCF) på EMBL Heidelberg) og ultrastrukturekspansionsmikroskopi, en teknik, der involverer indlejring af biologiske prøver i en gennemsigtig gel og fysisk udvidelse af den.

Derudover leverede Eelco Tromer, fra University of Groningen i Holland, og Iva Tolic, fra Ruđer Bošković Institute i Zagreb, Kroatien, ekspertise inden for henholdsvis sammenlignende genomik og mitotisk spindelgeometri og biofysik.

"Første gang vi så en udvidet S. arctica-kerne, vidste vi, at denne teknik ville ændre den måde, vi studerer cellebiologien for ikke-modelorganismer," sagde Shah, der bragte ekspansionsmikroskopi-teknikken tilbage til EMBL Heidelberg efter et ophold kl. Dudin-laboratoriet.

Dey er enig:"Et vigtigt gennembrud i denne undersøgelse kom med vores anvendelse af ultrastrukturekspansionsmikroskopi (U-ExM) til analysen af ​​det ichthyosporeiske cytoskelet. Uden U-ExM fungerer immunfluorescens og de fleste farvestofmærkningsprotokoller ikke i denne understuderede gruppe af marine holozoer."

Denne undersøgelse viser også vigtigheden af ​​at gå ud over traditionel modelorganismeforskning, når man forsøger at besvare brede biologiske spørgsmål, og den potentielle indsigt, yderligere forskning i Ichthyosporean-systemer kan afsløre.

"Ichthyosporean udvikling viser bemærkelsesværdig mangfoldighed," sagde Dudin. "På den ene side udviser flere arter udviklingsmønstre, der ligner dem for tidlige insektembryoner, med flerkernede stadier og synkroniseret cellularisering.

"På den anden side gennemgår C. perkinsii spaltningsdeling, symmetribrud og danner flercellede kolonier med særskilte celletyper, svarende til den 'kanoniske opfattelse' af tidlige dyreembryoner. Denne mangfoldighed hjælper ikke kun med at forstå vejen til dyr, men også tilbyder en fascinerende mulighed for komparativ embryologi uden for dyr, hvilket i sig selv er meget spændende."

Projektets iboende tværfaglighed tjente ikke kun som et godt teststed for denne type forskningssamarbejde, men også for den unikke postdoc-uddannelse, der tilbydes på EMBL.

"Hirals projekt illustrerer godt EIPOD-programmets dyd:et virkelig tværfagligt projekt, der kombinerer innovativ biologi med avancerede metoder, som alle bidrager til en virkelig spektakulær personlig udvikling," sagde Schwab. "Vi (som mentorer) var vidne til fødslen af ​​en stærk videnskabsmand, og det er virkelig givende."

Dey, Dudin og Schwab-grupperne samarbejder i øjeblikket også om PlanExM-projektet, en del af TREC-ekspeditionen - et EMBL-ledet initiativ til at udforske og prøve biodiversiteten langs de europæiske kyster. PlanExM sigter mod at anvende ekspansionsmikroskopi til at studere den ultrastrukturelle mangfoldighed af marine protister direkte i miljøprøver.

"Projektet voksede ud af erkendelsen af, at U-ExM vil være en game-changer for protistologi og marin mikrobiologi," sagde Dey. Med dette projekt, såvel som andre i gang, håber forskerholdet at kaste yderligere lys over mangfoldigheden af ​​liv på Jorden og udviklingen af ​​de grundlæggende biologiske processer.

Flere oplysninger: Gautam Dey, Livscyklus-koblet udvikling af mitose i nære slægtninge til dyr, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07430-z. www.nature.com/articles/s41586-024-07430-z

Journaloplysninger: Natur

Leveret af European Molecular Biology Laboratory