Οι επιστήμονες συζητούν την προέλευση των τύπων κυττάρων στα πρώτα ζώα

Από ένα βγήκαν πολλά. Πριν από περίπου 700 εκατομμύρια χρόνια, ένα μόνο κύτταρο δημιούργησε το πρώτο ζώο, έναν πολυκύτταρο οργανισμό που τελικά θα γεννούσε την απίστευτη πολυπλοκότητα και ποικιλομορφία που παρατηρείται στα ζώα σήμερα. Νέα έρευνα προσφέρει τώρα στους επιστήμονες μια νέα προοπτική για το πώς έμοιαζε αυτό το κύτταρο και πώς θα μπορούσε να προκύψει η πολυκυτταρικότητα - μια μετάβαση που σηματοδοτεί ένα από τα πιο κομβικά γεγονότα στην ιστορία της ζωής στη Γη.

Για περισσότερο από έναν αιώνα, εικάζεται ευρέως ότι οι πρόγονοι από τους οποίους αναπτύχθηκε το πρώτο ζώο ήταν απλές σταγόνες πανομοιότυπων κυττάρων. Μόνο αργότερα, αφού τα ζώα σχημάτισαν το δικό τους κλάδο στο δέντρο της ζωής, αυτά τα κύτταρα άρχισαν να διαφοροποιούνται σε διάφορους τύπους κυττάρων με εξειδικευμένες λειτουργίες. Αλλά τώρα, επίπονες γονιδιωματικές αναλύσεις και συγκρίσεις μεταξύ των αρχαιότερων ζώων που ζουν σήμερα και των πλησιέστερων μη ζωικών συγγενών τους αρχίζουν να ανατρέπουν αυτή τη θεωρία.

Το πρόσφατο έργο απεικονίζει μια εικόνα προγονικών μονοκύτταρων οργανισμών που ήταν ήδη εκπληκτικά περίπλοκοι. Είχαν την πλαστικότητα και την ευελιξία να γλιστρούν πέρα ​​δώθε μεταξύ πολλών καταστάσεων - να διαφοροποιούνται όπως κάνουν τα σημερινά βλαστοκύτταρα και στη συνέχεια να αποδιαφοροποιούνται πίσω σε μια λιγότερο εξειδικευμένη μορφή. Η έρευνα υποδηλώνει ότι οι μηχανισμοί κυτταρικής διαφοροποίησης προϋπήρχαν της σταδιακής αύξησης πολυκύτταρων ζώων.

Τώρα, οι επιστήμονες αναφέρουν τα πιο συναρπαστικά στοιχεία για τη νέα αφήγηση. Το έργο τους και η συζήτηση που εμπνεύστηκε από τη δημοσίευσή του στο Nature τον περασμένο μήνα, υπογραμμίζει επίσης πόσο δύσκολο είναι να εντοπιστούν οριστικές απαντήσεις σε αυτού του είδους τα εξελικτικά ερωτήματα — και πόσο ευρύ δίκτυο πρέπει να βάλουν οι ερευνητές για να επιδιώξουν αυτές τις απαντήσεις.

Αναζήτηση στενών συγγενών

Στη δεκαετία του 1860, οι βιολόγοι Henry James Clark και William Saville-Kent παρατήρησαν ξεχωριστά μια εντυπωσιακή ομοιότητα μεταξύ των κυττάρων δύο οργανισμών. Τα χοανομαστιγώματα είναι μικροσκοπικά σφαιρικά ή αυγά κύτταρα που στέφονται με ένα «κολάρο» από προεξοχές που μοιάζουν με δάχτυλα που περιβάλλουν ένα μόνο μαστίγιο που μαστίγεται μπρος-πίσω. Αυτοί οι πρωτεργάτες ανακινούν τα ρεύματα του νερού με τα μαστίγια τους, σκουπίζοντας το επόμενο γεύμα τους (συνήθως βακτήρια) στο κολάρο τους για να φάνε. Εν τω μεταξύ, τα σφουγγάρια είναι απλά ζώα που αποτελούνται από πολλούς τύπους κυττάρων, συμπεριλαμβανομένων των χοανοκυττάρων — με κολάρο, μαστιγωτά κύτταρα που επενδύουν τους θαλάμους μέσα στο σφουγγάρι και αιχμαλωτίζουν την τροφή του. Τα χοανοκύτταρα μοιάζουν και δρουν αξιοσημείωτα σαν χοανομαστιγιακά, τόσο πολύ που ορισμένοι επιστήμονες υποστήριξαν στις δεκαετίες του 1980 και του '90 ότι τα χοανομαστιγιακά μπορεί να είναι ζώα που εξελίχθηκαν από σφουγγάρια και στη συνέχεια απλοποιήθηκαν σε ένα κύτταρο.

Οι δομικές ομοιότητες ώθησαν τους ειδικούς να σκεφτούν ότι τα κύτταρα μοιράστηκαν έναν πρόγονο και ότι τα μονοκύτταρα χοανομαστιγώματα μπορεί να είναι το κλειδί για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο προέκυψε ο πολυκύτταρος σπόγγος. Βασιζόμενος σε αυτό, ο διάσημος θαλάσσιος βιολόγος Ernst Haeckel παρουσίασε μια θεωρία για την εξέλιξη της πολυκυτταρικότητας των ζώων το 1874, την οποία οι ερευνητές ανέπτυξαν έκτοτε:Ένα προγονικό κύτταρο που μοιάζει με choanoflagellate τα ξεκίνησε όλα. Πολλά τέτοια κύτταρα ενώθηκαν για να σχηματίσουν μια αποικία, μια κούφια μπάλα πανομοιότυπων κυττάρων που, με τη σειρά τους, σταδιακά διαφοροποιήθηκαν σε κυτταρικούς τύπους και ιστούς με διάφορες λειτουργίες. Αυτό τελικά οδήγησε στο πρώτο ζώο, το σφουγγάρι — και τα υπόλοιπα είναι ιστορία.

Όλα τα σημάδια έδειχναν ότι αυτός ήταν ο σωστός τρόπος σκέψης για την εξέλιξη των ζώων. Στη δεκαετία του 2000, περισσότερο από έναν αιώνα αφότου ο Haeckel πρότεινε τη θεωρία του, τα γονιδιωματικά στοιχεία επιβεβαίωσαν ότι τα χοανομαστιγώματα ήταν οι πιο στενοί εν ζωή συγγενείς των ζώων. «Από τους πολλούς μονοκύτταρους ευκαρυώτες εκεί έξω, πριν από 150 χρόνια είχαν προταθεί τα χοανομαστιγώματα ως στενός συγγενής των ζώων», δήλωσε ο Pawel Burkhardt, μοριακός βιολόγος στο Διεθνές Κέντρο Θαλάσσιας Μοριακής Βιολογίας Sars στη Νορβηγία. «Τότε έγινε η αλληλουχία του πρώτου γονιδιώματος και μπαμ! Ήταν πραγματικά αληθινό.»

«Οι επιστήμονες, συμπεριλαμβανομένου και εμένα, απολάμβαναν για πολύ καιρό αυτή τη σύνδεση χοανομαστίγγων-χοανοκυττάρων», είπε ο Ντέιβιντ Γκόλντ, γεωβιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Ντέιβις, «επειδή λέει μια ξεκάθαρη και κομψή ιστορία».

Εξάλλου, είπε ο Ντάγκλας Έρβιν, ένας παλαιοβιολόγος στο Εθνικό Μουσείο Φυσικής Ιστορίας του Ινστιτούτου Smithsonian στην Ουάσιγκτον, DC, «Θα αμφισβητήσετε τον Χέκελ; Πώς αμφισβητείτε τον Haeckel; Είναι σχεδόν σαν να αμφισβητείς τον Δαρβίνο.»

The First Seeds of Doubt

Αλλά η αβεβαιότητα σχετικά με αυτή τη σαφή και κομψή ιστορία έχει αυξηθεί την τελευταία δεκαετία. Η ιδέα ότι τα ζώα προέκυψαν από μια αποικία κυττάρων που μοιάζουν με choanoflagellate υπονοεί ότι η κυτταρική διαφοροποίηση εξελίχθηκε μετά την πολυκυτταρικότητα. Αλλά "τα δεδομένα δείχνουν ότι δεν είναι έτσι", δήλωσε ο Iñaki Ruiz-Trillo, εξελικτικός βιολόγος στο Ινστιτούτο Εξελικτικής Βιολογίας στη Βαρκελώνη.

Η πρώτη επιπλοκή εμφανίστηκε το 2008, όταν μια ομάδα επιστημόνων, σε μια προσπάθεια να χαρτογραφήσει με μεγαλύτερη ακρίβεια τις εξελικτικές σχέσεις μεταξύ των ζώων στο δέντρο της ζωής, αναγνώρισε ως τα πρώτα ζώα τα ζελέ χτενών και όχι τα σφουγγάρια. Το εύρημα προκάλεσε διαμάχη. «Είναι ακόμα ένα πολύ έντονο ερώτημα», είπε ο Gold, «αλλά νομίζω ότι ανάγκασε την κοινότητα να επανεκτιμήσει την κλασική αφήγηση».

Οι επόμενες ανακαλύψεις συνέχισαν να τροφοδοτούν τη συζήτηση σχετικά με το ποια ομάδα ζώων ήρθε πρώτη. Και ορισμένες μελέτες αποκάλυψαν παραγνωρισμένες διαφορές μεταξύ των χοανομαστιγωτών και των σπογγωδών χοανοκυττάρων. Η κοινή καταγωγή των κυττάρων άρχισε να μοιάζει λιγότερο με προκαθορισμένο συμπέρασμα.

Οι επιστήμονες άρχισαν επίσης να συνειδητοποιούν ότι τα χοανομαστιγώματα και δύο στενά συνδεδεμένες μονοκύτταρες ομάδες έχουν όλα πολύπλοκους κύκλους ζωής που προχωρούν σε διάφορες κυτταρικές καταστάσεις. Αυτές οι καταστάσεις ουσιαστικά λειτουργούν ως διαφορετικοί τύποι κυττάρων — αλλά αντί για όλα τα υπάρχοντα δίπλα-δίπλα όπως σε έναν πολυκύτταρο οργανισμό, προκύπτουν διαδοχικά σε ένα μόνο κύτταρο. "Έχουν χρονική κυτταρική διαφοροποίηση", είπε ο Burkhardt.

Και κατά τη διάρκεια αυτών των κύκλων ζωής, και οι τρεις αυτοί πρωταθλητές περνούν μέρος της ζωής τους σε μια μορφή που συνορεύει με κάτι σαν πρωτόγονη πολυκυτταρικότητα. Τα χοανομαστιγώματα έχουν αποικιακή μορφή. Η δεύτερη ομάδα πρωτιστών έχει κύτταρα που μοιάζουν με αμοιβάδα που συσσωματώνονται. τα κύτταρα της τρίτης ομάδας αναπτύσσονται για να έχουν εκατοντάδες πυρήνες.

Αυτό οδήγησε σε μια εργασία το 2009 που αναζωογόνησε μια παλιά εναλλακτική στην υπόθεση του Haeckel. Το 1949, ο Ρώσος βιολόγος Alexey Zakhvatkin είχε προτείνει ότι τα πολυκύτταρα ζώα εξελίχθηκαν όταν τα προσωρινά διαφοροποιημένα κύτταρα σχημάτισαν αποικίες και άρχισαν να δεσμεύονται σε συγκεκριμένα στάδια του κύκλου ζωής τους, επιτρέποντας σε μερικούς τύπους κυττάρων να υπάρχουν ταυτόχρονα. Ο Ruiz-Trillo και οι συνεργάτες του παρείχαν περαιτέρω στοιχεία για αυτή τη λεγόμενη μετάβαση από το χρόνο στο χώρο. Σε μια σειρά μελετών, έδειξαν ότι ορισμένες οικογένειες ρυθμιστικών πρωτεϊνών που υποτίθεται ότι είναι μοναδικές στα ζώα, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που εμπλέκονται στη διαφοροποίηση των κυττάρων, ήταν στην πραγματικότητα ήδη παρούσες στους πολύ πιο αρχαίους μονοκύτταρους συγγενείς τους.

Τώρα, μια ομάδα ερευνητών με επικεφαλής τη Sandie Degnan και τον Bernard Degnan, ένα παντρεμένο ζευγάρι θαλάσσιων βιολόγων στο Πανεπιστήμιο του Κουίνσλαντ στην Αυστραλία, έχουν παράσχει πρόσθετη υποστήριξη για αυτήν την άποψη της εξέλιξης των ζώων, ενώ παράλληλα στρέφονται στα θεμέλια της παραδοσιακής θεωρίας:εξελικτική σύνδεση μεταξύ των χοανομαστιγωτών και των χοανοκυττάρων του σπόγγου.

Ένας πιο ευέλικτος πρόγονος

Όταν η ομάδα ξεκίνησε το έργο της, «πραγματικά ήθελαν απλώς να βάλουν λίγο κρέας στα κόκαλα της [παραδοσιακής] θεωρίας», είπε ο Bernard Degnan. Για να το κάνουν αυτό, εξέτασαν τη γονιδιακή έκφραση σε χοανοκύτταρα και άλλα είδη σπογγωδών κυττάρων και, στη συνέχεια, συνέκριναν αυτά τα ευρήματα με δημοσιευμένα δεδομένα για τα χοανομαστιγιακά και δύο άλλους πρωτεργάτες.

Περίμεναν να τεκμηριώσουν ότι τα χοανοκύτταρα των σπόγγων είχαν προφίλ γονιδιακής έκφρασης περισσότερο παρόμοια με αυτά των χοανομαστιγωτών. Αντίθετα, διαπίστωσαν ότι ένας άλλος τύπος σπογγώδους κυττάρου το έκανε.

Αυτός ο τύπος κυττάρου, που ονομάζεται αρχαιοκύτταρο, λειτουργεί σαν βλαστοκύτταρο για το σφουγγάρι:Μπορεί να διαφοροποιηθεί σε οποιονδήποτε άλλο τύπο κυττάρων που μπορεί να χρειαστεί το ζώο. Ορισμένα από τα μοτίβα γονιδιακής έκφρασης στα αρχαιοκύτταρα είναι σημαντικά παρόμοια με αυτά των πρωτιστών κατά τη διάρκεια συγκεκριμένων σταδίων του κύκλου ζωής, σύμφωνα με τον Bernard Degnan. «Εκφράζουν γονίδια που υποδηλώνουν ότι έχουν ένα προγονικό ρυθμιστικό σύστημα», είπε. "Όλα τα ζώα είναι απλώς παραλλαγές αυτού του θέματος που δημιουργήθηκε πριν από πολύ καιρό."

Επιπλέον, τα χοανοκύτταρα φάνηκαν να είναι απροσδόκητα παροδικά. «Τα χοανοκύτταρα, τα οποία υποτίθεται ότι είναι το θεμέλιο όλων των ζωικής προέλευσης… είναι σχεδόν εφήμερα», είπε. "Δεν παραμένουν σταθερά σε αυτή την κατάσταση, αλλά αποδιαφοροποιούνται γρήγορα σε αυτά τα βλαστοκύτταρα, τα αρχαιοκύτταρα."

Για τον Gold, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη, αυτό το αποτέλεσμα είναι η ισχυρότερη απόδειξη μέχρι τώρα ότι τα σπογγαλιευτικά χοανοκύτταρα δεν θα πρέπει απαραίτητα να χρησιμοποιούνται ως «κάποιο είδος αντιπροσώπου για την προέλευση των ζώων».

Ο Bernard Degnan πιστεύει ότι είναι πιθανό τα χοανομαστιγώματα και τα σπογγώδη χοανοκύτταρα να έφτασαν ανεξάρτητα στην αρχιτεκτονική τους με κολάρο. Στην κοινή καταγωγή των χοανομαστιγωτών και των σφουγγαριών θα μπορούσε να υπήρχε κάτι σαν αρχαιοκύτταρο ή πολυδύναμο βλαστοκύτταρο. «Πέρασε μεταξύ διαφορετικών τύπων κυττάρων και στη συνέχεια αυτοί οι κυτταρικοί τύποι έγιναν σταθεροί», είπε. «Και ουσιαστικά αυτό είναι που οδήγησε στην αληθινή πολυκυτταρικότητα». Αργότερα, καθώς τα ζώα γίνονταν μεγαλύτερα και πιο περίπλοκα, τα κύτταρά τους έπρεπε να γίνουν πιο ακριβή, εξειδικευμένα και σταθερά στην ταυτότητά τους, αλλά έχασαν πολύ από την ευελιξία τους στη διαδικασία.

Εκ των υστέρων, αυτή η εκδοχή της προέλευσης της πολυκυτταρικότητας έχει πολύ νόημα. Σύμφωνα με ορισμένους ειδικούς, μπορούμε να σκεφτούμε τους μονοκύτταρους οργανισμούς που ήρθαν πριν από τα ζώα ως βλαστοκύτταρα:Θα μπορούσαν να συνεχίσουν να διαιρούνται για πάντα και θα μπορούσαν να επιτελούν ποικίλες λειτουργίες, συμπεριλαμβανομένης της αναπαραγωγής. Άλλα πρώιμα ζώα, όπως οι μέδουσες, δείχνουν επίσης μεγάλη αυτή φαινομενικά προγονική πλαστικότητα.

«Τα βλαστοκύτταρα είναι κάτι πάνω στο οποίο οι άνθρωποι εργάζονται εδώ και χρόνια» σε μελέτες ανάπτυξης, επούλωσης πληγών και καρκίνου, είπε ο Ruiz-Trillo. Τώρα, γίνεται σαφές ότι θα είναι "ενδιαφέροντα για την κατανόηση της εξέλιξης επίσης", για την ανακάλυψη πώς προέκυψαν τα ζώα.

Μια πορεία προς τη συμφιλίωση

Δεν συμφωνούν όλοι απόλυτα με τα συμπεράσματα των Degnans. Η εξαγωγή συμπερασμάτων από τα προφίλ γονιδιακής έκφρασης δεν είναι τόσο απλή. «Σκάψτε [το] και θα μπορούσατε να ερμηνεύσετε ορισμένα δεδομένα εντελώς διαφορετικά», είπε ο Burkhardt. Οι διαφορές στη γονιδιακή έκφραση δεν αποκλείουν απαραίτητα δύο τύπους κυττάρων από το να μοιράζονται την καταγωγή τους.

Ο Έρβιν συμφώνησε. Τέτοια δεδομένα, είπε, «είναι ένα στιγμιότυπο [τραβηχτεί] σε μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή». Δεδομένου ότι τα χοανομαστιγώματα και τα χοανοκύτταρα των σφουγγαριών εξελίσσονται μόνα τους τα τελευταία 700 εκατομμύρια χρόνια, είναι λογικό να εκφράζουν πολύ διαφορετικά γονίδια.

Σε οποιαδήποτε σύγκριση των σύγχρονων οργανισμών, «εξετάζετε ζώα που έχουν ιστορικό απώλειας και κέρδους», είπε η Maja Adamska, εξελικτική βιολόγος στο Εθνικό Πανεπιστήμιο της Αυστραλίας που δεν συμμετείχε στη μελέτη του Degnans. "Κινδυνεύετε να απλοποιήσετε υπερβολικά τα ευρήματά σας."

Άλλα είδη σφουγγαριών, πρόσθεσε, δεν έχουν καθόλου αρχαιοκύτταρα. Αντίθετα, τα χοανοκύτταρά τους εκτελούν αυτούς τους ρόλους που μοιάζουν με βλαστοκύτταρα. "Υποψιάζομαι ότι εάν κάναμε μια σύγκριση σε [αυτά τα χοανοκύτταρα]", είπε η Adamska, "θα είχαμε βρει μεγαλύτερη ομοιότητα με τα χοανομαστιγώματα."

Η Adamska πιστεύει ότι το πρώτο ζώο θα μπορούσε κάλλιστα να ήταν μια τηγανίτα από βλαστοκύτταρα που συχνά άλλαζαν την ταυτότητά τους. Πιστεύει επίσης ότι η σύγκριση της γονιδιακής έκφρασης δεν αποκλείει τους εξελικτικούς δεσμούς μεταξύ των χοανομαστιγωτών και των πρώτων πολυκύτταρων ζωικών κυττάρων. «Στην πραγματικότητα, πιστεύω ακράδαντα ότι οι πρόγονοί μου είχαν χοανοκύτταρα», είπε.

Οι δύο θεωρίες σχετικά με την προέλευση της πολυκυτταρικότητας των ζώων δεν αλληλοαποκλείονται. «Νομίζω ότι υπάρχει μια θέση τόσο για χαρακτηριστικά που μοιάζουν με χοανομαστίγωμα όσο και για χαρακτηριστικά [χρονική διαφοροποίηση] στον τελευταίο κοινό πρόγονο που προσπαθούμε να ζωγραφίσουμε», είπε η Adamska. «Δεν βλέπω την αντίφαση εκεί». Αυτή και οι συνάδελφοί της εργάζονται τώρα στη διαμόρφωση της έκφρασης γονιδίων σε σφουγγάρια χωρίς αρχαιοκύτταρα για να δοκιμάσουν περαιτέρω αυτήν την ιδέα.

Νύξεις μιας συνδυασμένης θεωρίας αναδύονται ήδη από το εργαστήριο του Burkhardt. Σε μια προεκτύπωση που δημοσίευσαν στο biorxiv.org τον Μάιο, ο Burkhardt και οι συνεργάτες του διαπίστωσαν ότι τα κύτταρα σε μια αποικία choanoflagellate δεν είναι όλα ίδια:Διαφέρουν ως προς τη μορφολογία τους και την αναλογία των οργανιδίων τους. Αυτές οι παρατηρήσεις, είπε, υποδηλώνουν ότι η χωρική κυτταρική διαφοροποίηση συνέβαινε ήδη στη γενεαλογία των χοανομαστιγωτών, και ίσως ακόμη νωρίτερα - μια πιθανότητα που συνδυάζει τις νέες ιδέες (ότι η ικανότητα για διαφοροποίηση είναι αρχαία και η μετάβαση στην πολυκυτταρικότητα των ζώων ήταν σταδιακή) με την παλιά (ότι αυτό θα μπορούσε να συμβεί με κύτταρα που μοιάζουν με χοανομαστιγώματα).

Έτσι, ενώ δεν υπάρχει ακόμη οριστική απάντηση για το πώς ακριβώς έμοιαζε το πρώτο ζώο, η εικόνα γίνεται πιο ξεκάθαρη. «Είμαστε πιο κοντά στο να κατανοήσουμε από πού προερχόμαστε στα βάθη του χρόνου», είπε η Adamska. "Και νομίζω ότι είναι τόσο ωραίο."