Τα φρένα RNA μπορεί να σταθεροποιήσουν μια κυτταρική συμβίωση
Βλέποντας μέσα από ένα μικροσκόπιο, το τριχωτό, σε σχήμα παντόφλας υδρόβιο μικρόβιο Paramecium bursaria συχνά μοιάζει σαν να σκάει στις ραφές με μικροσκοπικά πράσινα μάρμαρα. Ωστόσο, οι κατάφυτες σφαίρες είναι ένας εντελώς διαφορετικός οργανισμός:Chlorella , ένα φύκι που περιστασιακά καταφεύγει μέσα στα όρια της απαλής κυτταρικής μεμβράνης του paramecium. Κάθε είδος μπορεί να επιβιώσει μόνο του, αλλά τα δύο συχνά και επανειλημμένα συμμετέχουν σε μια ενδοσυμβιωτική συνεργασία. Σε αντάλλαγμα για την παροχή άμυνας και θρεπτικών συστατικών, το paramecium απαιτεί από τους ενοικιαστές των φυκιών του να μοιράζονται τα τρόφιμα που φωτοσυνθέτουν.
Η συμβατική σοφία είναι ότι ένα paramecium αποφεύγει να αφομοιώσει τα φύκια μόνο επειδή θα έχανε τα σάκχαρα που δημιουργούν. Ωστόσο, νέα εργασία που δημοσιεύτηκε στον διακομιστή προεκτύπωσης biorxiv.org υποδηλώνει ότι τα φύκια μπορεί επίσης να προστατεύονται από ένα σταθεροποιητικό σύστημα ασφαλές για αστοχία:Εάν ένα αδηφάγο paramecium παρασκευάσει ένα γεύμα από τους κατοίκους του, τα χωνευμένα κομμάτια του RNA των φυκών μπορεί να επηρεάσουν την ικανότητα του ξενιστή. να αναπτυχθούν και να αναπαραχθούν. Κατανόηση της δυναμικής μεταξύ της paramecia και της Chlorella θα μπορούσε να δώσει πληροφορίες για αναρίθμητες άλλες ενδοσυμβιώσεις που βρίσκονται στη φύση και μπορεί ακόμη και να προσφέρει υποδείξεις για το τι συνέβαλε στη διατήρηση της αρχικής ενδοσυμβίωσης που πιστεύεται ότι παρήγαγε ευκαρυώτες (σύνθετα κύτταρα με οργανίδια).
«Θέλουμε να κατανοήσουμε ποιες είναι οι καθολικές αρχές που διέπουν τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ ευκαρυωτικών ξενιστών και ευκαρυωτικών ενδοσυμβίων», δήλωσε ο John Archibald, βιοχημικός στο Πανεπιστήμιο Dalhousie που δεν συμμετείχε στη μελέτη.
Παρόλο που οι αμοιβαίες σχέσεις ωφελούν και τα δύο μέρη, είναι λάθος να τις θεωρούμε εγγενώς σταθερές, δήλωσε ο Thomas Richards, καθηγητής εξελικτικής γονιδιωματικής στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης και ανώτερος συγγραφέας της μελέτης. «Πάντα προσπαθούν να ξεπεράσουν ο ένας τον άλλον», είπε. "Εξαιτίας αυτού, είναι δύσκολο να φανταστείς ότι μπορείς να αποκτήσεις μακροπρόθεσμη σταθερότητα."
Για παράδειγμα, η έρευνα έχει δείξει ότι τα paramecia χωνεύουν τα ενδοσυμβίωσά τους στο σκοτάδι, όπου τα φύκια δεν είναι σε θέση να φωτοσυνθέσουν και να κατευνάσουν τους ξενιστές τους με ζάχαρη. «Το συμβόλαιο πρέπει επίσης να έχει κάτι στο οπλοστάσιό του που να διατηρεί τη σταθερότητα καθώς οι συνθήκες κυμαίνονται - καθώς το πλαίσιο αλλάζει», δήλωσε ο Ben Jenkins, μεταδιδάκτορας στην Οξφόρδη και ο πρώτος συγγραφέας της μελέτης. "Πρέπει να υπάρχει αυτή η ομοιόσταση που να τη διατηρεί σε ομοιόμορφη καρίνα."
Ο Jenkins υποψιαζόταν ότι αυτός ο σταθεροποιητικός μηχανισμός μπορεί να εμπλέκει το RNA των οργανισμών επειδή οι συνάδελφοί του είχαν παρατηρήσει πολλές περιοχές ισχυρής ομοιότητας μεταξύ μεταγραφών ξενιστή και συμβιόντων που επιπλέουν στο κυτταρόπλασμα. Αναρωτήθηκε αν θα μπορούσε να υπάρχει κάποια συνέπεια της σύγχυσης μεταξύ του ξενιστή και του συμβιωτικού RNA. "Εάν δεν μπορούμε να ξεχωρίσουμε αυτές τις μεταγραφές, υπάρχει μεγάλη πιθανότητα ο οικοδεσπότης επίσης να μην μπορεί να ξεχωρίσει τη διαφορά μεταξύ των μεταγραφών", είπε.
Για να μάθουν αν αυτό συνέβαινε, ο Jenkins και οι συνεργάτες του χορήγησαν πρώτα ένα αντιβιοτικό που απενεργοποίησε τα φύκια και οδήγησε την paramecia να αφομοιώσει τους άχρηστους πλέον κατοίκους τους. Όταν τα φύκια πέπτονται, τα κυτταρικά τους έντερα —πρωτεΐνες, γενετικό υλικό, οργανίδια και όλα αυτά— χύνονται στο κυτταρόπλασμα του ξενιστή τους, όπου διασπώνται αργά από τα ένζυμα.
Χωρίς τη συμβίωση των φυκών τους, ο αριθμός των παραμέσιων στα δείγματα μειώθηκε δραματικά, όπως αναμενόταν. Όμως ο Jenkins και οι συνεργάτες του παρατήρησαν ότι κάτι άλλο συνέβαινε όταν απενεργοποίησαν το σύστημα της paramecia για παρεμβολή RNA (RNAi) - μια διαδικασία που αποσιωπά τη ρύθμιση των γονιδίων και πιστεύεται ότι προέκυψε εν μέρει για την καταπολέμηση του ξένου γενετικού υλικού από ιούς και άλλους εισβολείς. Η τροποποιημένη παραμέσια μειώθηκε στον πληθυσμό πολύ λιγότερο από εκείνους με άθικτα συστήματα RNAi.
Οι δοκιμές παρακολούθησης έδειξαν ότι το ελεύθερα αιωρούμενο RNA φυκών που μοιάζει περισσότερο με κομμάτια του γονιδιώματος του ξενιστή του, πιθανότατα πυροδότησε έναν καταρράκτη σηματοδότησης εντός της paramecia. Ο καταρράκτης γνωστοποίησε ότι το κύτταρο κατακλύζονταν από αυτές τις γενετικές πληροφορίες, υποδεικνύοντας πιθανώς την παρουσία ενός ιού ή κάποιου άλλου εισβολέα. Αυτό έκανε το κύτταρο να επιβραδύνει την έκφραση των ομόλογων γονιδίων και να δημιουργήσει λιγότερες από τις πρωτεΐνες που κωδικοποιούν.
«[Το σύστημα του μοντέλου] είναι ισοδύναμο μιας χρονομηχανής — μπορείτε να το χρησιμοποιήσετε για να επιστρέψετε στο χρόνο και να δείτε μια εκκολαπτόμενη συμβιωτική αλληλεπίδραση», είπε ο Άρτσιμπαλντ. «Αποκάλυψαν τη γλώσσα της συμβίωσης στην καλύτερη κλίμακα».
Ο Χάιλινγκ Τζιν, μικροβιολόγος και γενετιστής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Ρίβερσαϊντ, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη, περιέγραψε τη μελέτη ως συναρπαστική και είπε ότι ταίριαζε με ένα μεγαλύτερο σύνολο ερευνών την περασμένη δεκαετία, υπογραμμίζοντας τη σημασία του RNAi των κυττάρων. μηχανήματα. Μόνο τα τελευταία πέντε χρόνια, είπε ο Jin, οι επιστήμονες έστρεψαν την προσοχή τους στη διερεύνηση των αλληλεπιδράσεων RNAi μεταξύ διαφορετικών οργανισμών, ειδών, ακόμη και βασιλείων.
Ο Jenkins σημείωσε ότι αυτό που κάνει αυτόν τον μηχανισμό RNAi για συμβιωτική σταθερότητα ενδιαφέρον (αν ισχύει και σε άλλους οργανισμούς) είναι ότι θα μπορούσε να αναπτυχθεί χωρίς να απαιτούνται χιλιάδες χρόνια ή περισσότερα συνεξέλιξη μεταξύ ενός ξενιστή και ενός συμβιωτικού. Θα πρέπει να λειτουργεί για οποιαδήποτε ενδοσυμβίωση, εφόσον υπάρχει αρκετή επικάλυψη γενετικών αλληλουχιών μεταξύ των δύο οργανισμών και εφόσον το γενετικό υλικό του ενδοσυμβίωσης δεν έχει αφομοιωθεί πλήρως και ο ξενιστής έχει σύστημα RNAi.
Η κατανόηση των μηχανισμών που σταθεροποιούν τις συμβιωτικές σχέσεις θα μπορούσε να προσφέρει πολύτιμες γνώσεις για τους πρώτους ευκαρυώτες, οι οποίοι φαίνεται να έχουν εξελιχθεί από την αρχαία ενδοσυμβίωση. Για να αναπτυχθεί οποιαδήποτε περίπλοκη ζωή από μια ενδοσυμβιωτική συνεργασία, πρέπει να υπάρξει μια περίοδος αρχικής σταθερότητας κατά την οποία η επιλογή μπορεί να ενεργήσει για να οδηγήσει την εμφάνισή της, είπε ο Jenkins. Αν και τα απλά προκαρυωτικά κύτταρα (βακτήρια και αρχαία) δεν έχουν σύστημα RNAi πανομοιότυπο με αυτό των ευκαρυωτικών, η γενική αρχή που καταδεικνύεται στη νέα εργασία μπορεί να εξακολουθεί να είναι σχετική με την ευκαρυογένεση:το RNAi εξελίχθηκε πολύ νωρίς στην ευκαρυωτική ιστορία και ορισμένα από τα συστατικά του μπορεί να προήλθε από αυτά σε προκαρυώτες.
Ο Nick Lane, ένας εξελικτικός βιοχημικός στο University College του Λονδίνου που μελετά την προέλευση και την εξέλιξη των ευκαρυωτών, σημείωσε ότι οι περισσότερες ενδοσυμβιώσεις καταλήγουν σε αποτυχία, με το ένα από τα μέρη να οδηγεί το άλλο στην εξαφάνιση. «Η αποτυχία είναι ο κανόνας και μερικές φορές είναι επιτυχημένη», είπε. "Αυτό είναι ένα πολύ ωραίο παράδειγμα του είδους του μηχανισμού που μπορεί να του επιτρέψει να είναι επιτυχής."
Από αυτήν την αρχική εργασία, ωστόσο, η οποία χρειάζεται ακόμη να αξιολογηθεί από ομοτίμους, είναι δύσκολο να διακρίνει κανείς εάν ο μηχανισμός σταθεροποίησης μπορεί να είναι απλώς ένα τεχνούργημα του πειραματικού πρωτοκόλλου των ερευνητών. Ο William Martin, ένας εξελικτικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο Heinrich Heine στη Γερμανία που δεν συμμετείχε στη μελέτη, επισημαίνει ότι όταν οι paramecia καταναλώνουν τα φύκια τους στο σκοτάδι, η διαδικασία πέψης είναι αργή και μερική. το αντιβιοτικό που χρησιμοποίησαν ο Τζένκινς και οι συνεργάτες του για να εξαλείψουν τα φύκια έδρασε γρήγορα. Είναι πιθανό οι αναφερόμενες αλληλεπιδράσεις RNAi να μην συμβαίνουν με χαμηλότερο ρυθμό.
Εάν μελλοντικές μελέτες επιβεβαιώσουν αυτά τα ευρήματα, αυτός ο μηχανισμός μπορεί να έχει σημασία πέρα από το πλαίσιο της ενδοσυμβίωσης. Ο Τζένκινς είπε ότι ελπίζει να χρησιμοποιήσει τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης για να δει εάν τα κύτταρα έχουν παρόμοιους ενσωματωμένους μηχανισμούς για να αποθαρρύνουν τον κανιβαλισμό. Εάν ένα παραμέκιο έτρωγε ένα άλλο παράμεκιο, για παράδειγμα, ο Τζένκινς είπε ότι θα περίμενε ότι τα αιωρούμενα γενετικά κομμάτια από το χωνεμένο κύτταρο θα ενεργοποιούσαν επίσης τον μηχανισμό RNAi του επιτιθέμενου, λαμβάνοντας υπόψη τις σχεδόν πανομοιότυπες γενετικές αλληλουχίες τους.
"Μπορείτε να οραματιστείτε αυτό το κόστος για τον κανιβαλισμό, ή τουλάχιστον ένα κόστος για να φάτε έναν πολύ στενό συγγενή, που αναδύεται μέσω ακριβώς των ίδιων μηχανισμών", είπε ο Jenkins.
