Zkoumání diverzity v buněčném dělení

Nový výzkum vědců Evropské mikrobiologické laboratoře (EMBL) ukazuje, jak se mohly u různých živočichů vyvinout různé způsoby buněčného dělení a jak tato diverzita podporuje jejich různé životní cykly.

Zvířata a houby používají převážně dva různé způsoby buněčného dělení nazývané otevřená a uzavřená mitóza. Nová studie od EMBL Heidelberg's Dey Group a jejich spolupracovníků ukázala, že různé druhy mořských protistů Ichthyosporea, které jsou blízkými příbuznými zvířat i hub, používají obojí - buď otevřenou nebo uzavřenou mitózu, což úzce koreluje s tím, zda má druh vícejaderná stádia životního cyklu. Studie ukazuje, jak se mohlo u živočichů vyvíjet buněčné dělení dlouho předtím, než se vyvíjeli samotní živočichové, a jak to souvisí s životním cyklem organismu.  

Pozn. red.: Ichtyosporea, česky plísňovky, jsou jednobuněční parazité příbuzní živočichům. Až moderní molekulární metody odhalily jejich příbuznost, dříve byly některé z nich považovány za houby či prvoky. Jsou to zpravidla paraziti vodních živočichů, jeden druh parazituje i na člověku. Mají složité, dosud málo známé, vývojové cykly, s bičíkovitými nebo měňavkovými stádii.

Poprvé zjištěná souvislost mezi dělením buněk a životním cyklem organizmu
Buněčné dělení je jedním z nejzákladnějších procesů života. Od bakterií po modré velryby, každá živá bytost na Zemi spoléhá na buněčné dělení pro růst, reprodukci a přežití druhů. Přesto existuje pozoruhodná rozmanitost ve způsobu, jakým různé organismy tento univerzální proces provádějí. Nová studie ze skupiny Dey společnosti EMBL Heidelberg a jejich spolupracovníků, nedávno publikovaná v časopise Nature, zkoumá, jak se různé způsoby buněčného dělení vyvíjely u blízkých příbuzných hub a zvířat. 

Otevřená a uzavřená mitóza

Navzdory tomu, že poslední sdílení společného předka bylo před více než miliardou let, jsou zvířata a houby v mnoha ohledech podobné. Oba patří do širší skupiny zvané eukaryota – organismy, jejichž buňky ukládají svůj genetický materiál do uzavřeného jádra. Oba se však liší v tom, jak provádějí mnoho fyziologických procesů, včetně nejběžnějšího typu buněčného dělení – mitózy. 

 Většina živočišných buněk se dělí otevřenou mitózou, ve které se jaderný obal – dvouvrstvá membrána oddělující jádro od zbytku buňky – rozpadá, když začíná buněčné dělení. Většina hub však používá jinou formu buněčného dělení, nazývanou uzavřená mitóza, ve které jaderný obal zůstává neporušený během procesu dělení. Je však známo velmi málo o tom, proč nebo jak se tyto dva odlišné způsoby buněčného dělení vyvíjely a jaké faktory určují, který způsob by převážně použil konkrétní druh.

Tato otázka upoutala pozornost vědců z Dey Group v EMBL Heidelberg, kteří zkoumají evoluční původ jádra a buněčného dělení. “Studiem rozmanitosti napříč organismy a rekonstrukcí toho, jak se věci vyvíjely, se můžeme začít ptát, zda existují univerzální pravidla, která jsou základem toho, jak takové základní biologické procesy fungují", řekl Gautam Dey, Vedoucí skupiny v EMBL Heidelberg. 
 
Ichtyosporea jako modelový organizmus

V roce 2020, během uzávěry kvůli COVID-19, se objevila neočekávaná cesta k zodpovězení této otázky díky diskusi mezi Deyovou skupinou a týmem Omaya Dudina na Švýcarském federálním technologickém institutu (EPFL) v Lausanne. Dudin je odborníkem na neobvyklou skupinu mořských protistů – Ichthyosporea. Ichthyosporea jsou blízce příbuzní houbám i zvířatům, přičemž různé druhy leží blíže jedné nebo druhé skupině na evolučním rodokmenu. 

Skupiny Dey a Dudin se ve spolupráci se skupinou Yannicka Schwaba v EMBL Heidelberg rozhodly prozkoumat původ otevřené a uzavřené mitózy pomocí Ichthyosporea jako modelu. Ichthyosporea se svými mnoha jádry a klíčovou evoluční pozicí mezi zvířaty a houbami se dobře hodí pro řešení této otázky. Bylo jasné, že to bude vyžadovat spojení buněčných biologických a technických znalostí skupin Dey, Dudin a Schwab. Po důkladném prozkoumání mechanismů buněčného dělení u dvou druhů Ichthyosporeans vědci zjistili, že jeden druh, S. arctica, upřednostňuje uzavřenou mitózu, podobnou houbám. S. arctica má také životní cyklus s vícejaderným stádiem, kde ve stejné buňce existuje mnoho jader, což je další rys sdílený s mnoha druhy hub a také embryonálními stádii určitých zvířat, jako jsou například ovocné mušky. Další druh, C. perkinsii, se ukázal jako mnohem více "zvířecí" - spoléhá se na otevřenou mitózu. Jeho životní cyklus zahrnuje primárně mononukleární stadia, kdy každá buňka má jediné jádro. 

Zjištění vedla ke klíčovému závěru, že způsob, jakým živočišné buňky provádějí mitózu, se vyvíjel stovky milionů let předtím, než samotní živočichové. Práce má proto přímé důsledky pro naše obecné chápání toho, jak se mechanismy eukaryotického buněčného dělení vyvíjejí a diverzifikují v kontextu různých životních cyklů, a poskytuje klíčový kousek skládačky o původu zvířat.

Bylo třeba široké vědecké spolupráce - interdisciplinarity

Studie kombinovala odborné znalosti v oblasti srovnávací fylogenetiky, elektronové mikroskopie (od Schwab Group a zařízení pro jádro elektronové mikroskopie (EMCF) v EMBL Heidelberg) a ultrastrukturní expanzní mikroskopie, techniky, která zahrnuje vložení biologických vzorků do průhledného gelu a jeho fyzické roztažení. Dále Eelco Tromer z univerzity v Groningenu v Nizozemsku a Iva Tolic z Institutu Ruďera Boškoviče v chorvatském Záhřebu, poskytli odborné znalosti v oblasti srovnávací genomiky a geometrie a biofyziky mitotického vřeténka.

“Poprvé jsme viděli rozšířené jádro S. arctica, tato technika změní způsob, jakým studujeme buněčnou biologii nemodelových organismů, řekl” Shah, který přinesl techniku expanzní mikroskopie do EMBL Heidelberg.

Studie také ukázala, jak je důležité jít nad rámec tradičního výzkumu modelových organismů, když se snažíme odpovědět na široké biologické otázky. Interdisciplinarita projektu sloužila nejen jako dobré testovací prostředí pro tento typ společného výzkumu, ale také pro jedinečné postdoktorandské školení poskytované v EMBL.

Další projekt následuje: PlanExM

Skupiny Dey, Dudin a Schwab v současné době také spolupracují na projektu PlanExM Project, což je iniciativa vedená EMBL k prozkoumání a vzorkování biologické rozmanitosti podél evropských pobřeží. PlanExM si klade za cíl aplikovat expanzní mikroskopii ke studiu ultrastrukturální diverzity mořských protistů přímo ve vzorcích životního prostředí. S tímto projektem, stejně jako dalšími, které v současnosti probíhají, výzkumný tým doufá, že vrhne další světlo na rozmanitost života na Zemi a vývoj základních biologických procesů. 

Zdroj: tisková zpráva EMBL