Gdybyś założył kapelusz na rozgwiazdę, gdzie byś go umieścił? Na środku rozgwiazdy? Albo na czubku ramienia, a jeśli tak, to którego? Pytanie jest głupie, ale porusza poważne pytania z zakresu zoologii i biologii rozwojowej, które wprawiają w zakłopotanie zarówno doświadczonych naukowców, jak i uczniów na wprowadzających zajęciach z biologii: Gdzie jest głowa rozgwiazdy? A jak układ ich ciała ma się do naszego?
Teraz nowe badanie na Uniwersytecie Stanforda, w którym wykorzystano narzędzia genetyczne i molekularne do wyznaczenia obszarów ciała rozgwiazd – poprzez stworzenie trójwymiarowego atlasu ekspresji ich genów – pomaga rozwiązać tę długoletnią tajemnicę. Naukowcy odkryli, że „głowa” rozgwiazdy nie znajduje się w żadnym jednym miejscu. Zamiast tego obszary przypominające głowę są rozmieszczone w centrum gwiazdy morskiej, a także w środku każdej kończyny jej ciała.
„Odpowiedź jest znacznie bardziej skomplikowana, niż się spodziewaliśmy” – powiedział Laurent Formery, główny autor i postdoc w laboratoriach Christophera Lowe’a w Stanford School of Humanities and Sciences i Daniela S. Rokhsara na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley. „To po prostu dziwne i najprawdopodobniej ewolucja grupy była jeszcze bardziej skomplikowana”.
Rozgwiazdy (gwiazdy morskie) należą do grupy zwierząt zwanych szkarłupniami. Szkarłupnie i ludzie są ze sobą blisko spokrewnieni, jednak cykl życia i anatomia gwiazd morskich bardzo różnią się od naszych.
Gwiazdy morskie rozpoczynają życie jako zapłodnione jaja, z których wykluwają się swobodnie unoszące się na wodzie larwy. Larwy podskakują w oceanie w formie planktonu przez tygodnie lub miesiące, po czym osiadają na dnie oceanu, aby wykonać swego rodzaju magiczną sztuczkę – przekształcając się z dwustronnego (symetrycznego w poprzek linii środkowej) ciała w postać dorosłą z pięcioramienną gwiazdą kształt zwany pięciopromieniowym planem ciała.
„To była zagadka zoologiczna od wieków” – powiedział Lowe, który jest także badaczem w Hopkins Marine Station i głównym autorem artykułu opublikowanego 1 listopada w czasopiśmie Nature. „Jak przejść od dwustronnego planu ciała do planu pięciopromieniowego i jak porównać dowolną część rozgwiazdy z naszym własnym planem ciała?”
Mapowanie gwiazd
W przypadku zagadek takich jak ta badacze często przeprowadzają badania porównawcze, aby zidentyfikować podobne struktury w pokrewnych grupach zwierząt i uzyskać wskazówki na temat zdarzeń ewolucyjnych, które spowodowały interesującą nas cechę.
„Problem z rozgwiazdą polega na tym, że pod względem anatomicznym nie ma ona niczego, co można by powiązać z kręgowcem” – powiedział Lowe. – Po prostu nic tam nie ma.
Przynajmniej nic na zewnątrz rozgwiazdy. I tu właśnie pojawiają się techniki genetyczne i molekularne.
Podczas swoich badań podyplomowych Formery badał wczesny rozwój jeżowców – szkarłupni, podobnie jak gwiazdy morskie, które również rozpoczynają życie jako dwustronne larwy, zanim przekształcą się w osobniki dorosłe o pięciokrotnej symetrii. Kiedy Formery dołączył do laboratorium Lowe’a, wiedza Formery’ego na temat rozwoju szkarłupni w połączeniu z doświadczeniem Lowe’a w zakresie technik biologii molekularnej pomogło rozwiązać zagadkę zaskakującego planu ciała gwiazd morskich.
Zespół wykorzystał grupę dobrze zbadanych markerów molekularnych (przykładem są geny Hox), które działają jak plany budowy ciała organizmu, „informując” każdej komórce, do jakiego obszaru ciała należy.
„Jeśli zdejmiemy skórę ze zwierzęcia i przyjrzymy się genom odpowiedzialnym za odróżnienie głowy od ogona, okaże się, że te same geny kodują te obszary ciała u wszystkich grup zwierząt” – powiedział Lowe. „Więc zignorowaliśmy anatomię i zapytaliśmy: czy pod całą tą dziwną anatomią kryje się oś molekularna i jaka jest jej rola u rozgwiazdy tworzącej pięciopromieniowy plan ciała?”
Aby zbadać tę kwestię, naukowcy wykorzystali tomografię RNA – technikę, która wskazuje, gdzie geny ulegają ekspresji w tkance, oraz hybrydyzację in situ – technikę skupiającą się na określonej sekwencji RNA w komórce.
„Najpierw podzieliliśmy ramiona gwiazd morskich na cienkie plasterki od czubka do środka, od góry do dołu i od lewej do prawej” – powiedział Formery, zauważając, że gwiazdy morskie regenerują brakujące kończyny. „Wykorzystaliśmy tomografię RNA, aby określić, które geny ulegały ekspresji w każdym skrawku, a następnie «ponownie złożyliśmy» skrawki za pomocą modeli komputerowych. W ten sposób otrzymaliśmy trójwymiarową mapę ekspresji genów”.
„W drugiej metodzie, reakcji łańcuchowej hybrydyzacji in situ, wybarwiliśmy tkankę rozgwiazdy i wizualnie sprawdziliśmy próbki, aby zobaczyć, gdzie ulegał ekspresji gen” – powiedział Formery. Umożliwiło to naukowcom zbadanie przednio-tylnego ułożenia ciała (od głowy do ogona) w najbardziej zewnętrznej warstwie komórek zwanej ektodermą.
„Było to możliwe dzięki niedawnemu dużemu udoskonaleniu technicznemu hybrydyzacji in situ, znanej jako reakcja łańcuchowa hybrydyzacji in situ” – powiedział Formery. „Ta nowa metoda zapewnia lepszą rozdzielczość tego, gdzie następuje ekspresja genu”.
Badania wykazały, że gwiazdy morskie mają obszar przypominający głowę w środku każdego „ramienia” i obszar przypominający ogon na obwodzie. Co zaskakujące, żadna część ektodermy gwiazdy morskiej nie wykazuje programu wzorców genetycznych „pnia”, co sugeruje, że gwiazdy morskie są w większości podobne do głów.
Wydobywanie naprawdę różnorodnej różnorodności biologicznej
Badania często koncentrują się na grupach zwierząt wyglądających podobnie do nas – wyjaśnili naukowcy. Ale jeśli skupimy się na tym, co znane, jest mniejsze prawdopodobieństwo, że nauczymy się czegoś nowego.
„Na tej planecie żyją 34 różne gromady zwierząt i w ciągu około 600 milionów lat wszystkie znalazły różne rozwiązania tych samych podstawowych problemów biologicznych” – powiedział Lowe. „Większość zwierząt nie ma spektakularnego układu nerwowego i poluje na zdobycz. Są to skromne zwierzęta żyjące w norach w oceanie. Te zwierzęta na ogół nie przyciągają ludzi, a mimo to prawdopodobnie reprezentują one początek życia. “
Badanie to pokazuje, jak podejście porównawcze wykorzystujące techniki genetyczne i molekularne można wykorzystać do eksploracji różnorodności biologicznej w celu uzyskania wglądu w to, dlaczego różne zwierzęta wyglądają tak, a nie inaczej i jak ewoluowały plany ich ciała.
„Nawet w ostatnich publikacjach molekularnych obok szkarłupni na drzewie ewolucyjnym pojawia się znak zapytania, ponieważ niewiele o nich wiemy” – powiedział Formery. „Miło było pokazać, że – przynajmniej na poziomie molekularnym – mamy nowy element układanki, który można teraz umieścić na drzewie”.
Formery, Lowe i Rokhsar są także badaczami w Chan Zuckerberg BioHub. Rokhsar jest także pracownikiem naukowym w Okinawie Institute of Science and Technology. Dodatkowymi współautorami Stanforda są Ian Kohnle, Judith Malnick i Kevin Uhlinger ze stacji morskiej Hopkins. Dodatkowi autorzy pochodzą z Pacific Biosciences w Menlo Park w Kalifornii i Columbia Equine Hospital w Gresham w stanie Oregon.
Badania te zostały sfinansowane przez NASA, National Science Foundation i Chan Zuckerberg BioHub.