Πώς να κάνετε ρίγες σε ένα πεδίο κυττάρων: Είδος αράχνης για έρευνα

Τα αρθρόποδα έχουν χωρικά επαναλαμβανόμενες μονάδες, που ονομάζονται τμήματα, κατά μήκος του άξονα του σώματός τους, το οποίο είναι ένα αυστηρά διατηρημένο χαρακτηριστικό στην εξέλιξη των αρθροπόδων. Τα σημάδια αυτής της χωρικής επανάληψης μπορούν να παρατηρηθούν ως λωρίδες γονιδιακής έκφρασης σε έμβρυα. Πώς όμως προκύπτει το σχέδιο των λωρίδων σε ένα έμβρυο αρθρόποδων;

Οι επιστήμονες συσσώρευσαν πολλές γνώσεις από τη μύγα των φρούτων Drosophila melanogaster (ένα καλά μελετημένο πρότυπο έντομο), ακολουθούμενο από μελέτες άλλων ειδών αρθρόποδων. Όμως έχουν συνειδητοποιήσει ότι υπάρχουν πολλές διαφορετικές απαντήσεις στην παραπάνω ερώτηση ανάλογα με το είδος που χρησιμοποιείται στη μελέτη.

Ένας παράγοντας που περιπλέκει είναι η ειδική για το είδος φύση του πεδίου όπου σχηματίζονται λωρίδες γονιδιακής έκφρασης. Το πεδίο στο πρώιμο έμβρυο της μύγας των καρπών είναι ένα συγκύτιο, στο οποίο όλοι οι πυρήνες που αυξάνονται σε αριθμό μοιράζονται το κυτταρόπλασμά τους. Δημιουργούνται χωροταξικά επαναλαμβανόμενες λωρίδες στο συγκυτιακό πεδίο, χωρίς ανάγκη για σηματοδότηση μέσω των κυτταρικών μεμβρανών και στη συνέχεια σχηματίζονται κύτταρα για να περικλείουν κάθε πυρήνα. Αλλά τα πρώιμα έμβρυα πολλών ειδών αρθρόποδων αποτελούνται από ξεχωριστά κύτταρα και απαιτούν επικοινωνία μεταξύ των κυττάρων μέσω των κυτταρικών μεμβρανών σε λωρίδες σχεδίασης. Αυτός ο τύπος εμβρύου πιστεύεται ότι είναι πιο κοινός έξω από τα έντομα. Ωστόσο, δεν υπάρχουν καλά μοντέλα αρθρόποδων που να μας επιτρέπουν να κυνηγήσουμε τη διαδικασία που οδηγεί σε επαναλαμβανόμενες ρίγες σε ένα τέτοιο πεδίο που βασίζεται σε κύτταρα.

Σε πρόσφατη εργασία, κάναμε μια σημαντική ανακάλυψη σε αυτό το θέμα, χρησιμοποιώντας μια κοινή οικιακή αράχνη Parasteatoda tepidariorum . Το έμβρυο αράχνης έχει ένα κυτταρικό πεδίο από τα πρώτα στάδια ανάπτυξης [1]. Εκμεταλλευόμενοι εκατοντάδες ωάρια σε έναν μόνο σάκο ωαρίων, συλλέξαμε και αναλύσαμε ένα μεγάλο σύνολο δεδομένων από έμβρυα αδερφών που έχουν χρωματιστεί με φθορισμό. Αυτό μας επέτρεψε να ανακατασκευάσουμε την ανάπτυξη μοτίβων λωρίδων στο εμβρυϊκό πεδίο, το οποίο οπτικοποιεί χρονικά επαναλαμβανόμενα γεγονότα που προκαλούν χωροπεριοδικές ρίγες. Οι ρίγες είναι έκφραση ενός σκαντζόχοιρου (ωω ) γονίδιο, το οποίο εντοπίστηκε αρχικά στη μύγα των φρούτων και πήρε το όνομά του από τον μεταλλαγμένο φαινότυπο της, δηλαδή ένα μοτίβο οδοντοστοιχίας που μοιάζει με σκαντζόχοιρο στην επιδερμίδα των προνυμφών.

Επισκεφτείτε τις παρακάτω ταινίες για κινούμενα σχέδια:Ταινία 1: https://ars.els-cdn.com/content/image/1-s2.0-S0012160617309089-mmc8.mp4Movie 2: https://ars.els-cdn. com/content/image/1-s2.0-S0012160617309089-mmc9.mp4

Τα χαρακτηριστικά της ανάπτυξης ανακατασκευασμένων προτύπων είναι διαφορετικές δυναμικές του ωω έκφραση ανάλογα με την περιοχή του πεδίου (βλ. Ταινία 1). Στο πεδίο που συμβάλλει στην κεφαλή του εμβρύου αράχνης, μια λωρίδα ταξιδεύει σαν κύμα, ακολουθούμενη από επαναλαμβανόμενο σχίσιμο (δείτε την επάνω περιοχή στην Ταινία 1).

Οι τρεις λωρίδες που προκύπτουν αντιστοιχούν στα τρία τμήματα κεφαλής. Στο πεδίο που συμβάλλει στην κοιλιά (επίσημα ονομάζεται οπισθόσωμα), κύματα ωω η έκφραση προκύπτουν διαδοχικά και ταξιδεύουν, μεταμορφώνονται σε χωρικά περιοδικές ρίγες (βλ. Ταινία 2). Τα πειράματα σήμανσης κυττάρων πρότειναν ότι αυτά τα κύματα εμφανίζονται ως διατεταγμένη ταλάντωση της γονιδιακής έκφρασης στους κυτταρικούς πληθυσμούς. Η διάσπαση και η ταλάντωση είναι τυπικοί τρόποι επαναλαμβανόμενης δυναμικής που παράγονται συχνά σε προσομοιώσεις απλών μαθηματικών μοντέλων. Οι κύκλοι διάσπασης και ταλάντωσης στο έμβρυο της αράχνης υπολογίστηκε ότι θα διαρκέσουν περίπου 5 ώρες.

Σε αντίθεση με τις τερματικές περιοχές του πεδίου, η μεσαία περιοχή (συμβάλλει στο να φέρει ο θώρακας τέσσερα ζεύγη ποδιών) εμφανίζει χωρικά περιοδικές ρίγες που εμφανίζονται ταυτόχρονα σε πρώιμο χρόνο (βλ. κόκκινες ρίγες στην Ταινία 1). Αυτό δείχνει ότι ένας τρίτος μηχανισμός λειτουργεί εκεί. Εν ολίγοις, αυτή η μελέτη έδειξε ότι παρόμοια περιοδικά μοτίβα προκύπτουν από διαφορετικές διεργασίες σε ένα συνεχές πεδίο κυττάρων, παρέχοντας μια νέα πλατφόρμα για τη διερεύνηση της ποικιλομορφίας των μηχανισμών σχηματισμού λωρίδων.

Από μια πρόσθετη άποψη, το συνολικό σχήμα του πεδίου αλλάζει από μορφή δίσκου σε μορφή ζώνης (βλ. Ταινία 1). Για να επιτευχθεί αυτή η διαδικασία διαμόρφωσης του σώματος, τα κύτταρα αυξάνονται σε αριθμό με την κυτταρική διαίρεση, μετακινούνται συλλογικά και περιστασιακά αλλάζουν τα γειτονικά τους κύτταρα. Θα μπορούσε κανείς να υποθέσει ότι τα μεμονωμένα κύτταρα στο πεδίο πρέπει να κάνουν ευέλικτες αποκρίσεις και αντιδράσεις στα μεταβαλλόμενα περιβάλλοντα για να συντονίσουν τις συμπεριφορές τους και τα γεγονότα σχηματισμού λωρίδων. Έτσι, προτείνουμε ότι το έμβρυο αράχνης παρέχει μια μοναδική ευκαιρία για τη μελέτη της σχέσης μεταξύ της κυτταρικής συμπεριφοράς και της διαδικασίας σχηματισμού προτύπων, η οποία δεν επιτυγχάνεται ικανοποιητικά με μελέτες που χρησιμοποιούν έμβρυα μύγας φρούτων.

Τέλος, στο έμβρυο της αράχνης, η δραστηριότητα της οδού σηματοδότησης Hh είναι απαραίτητη για να οργανωθεί μια παγκόσμια πολικότητα του πεδίου που βασίζεται σε κύτταρα που συνδέεται με το σχηματισμό τμημάτων [2]. Το "Hh" είναι μια διαχύσιμη πρωτεΐνη σηματοδότησης που εκκρίνεται από το κύτταρο. Οι επικοινωνίες από κύτταρο σε κύτταρο που χρησιμοποιούν την ίδια οδό σηματοδότησης είναι γνωστό ότι λειτουργούν ώστε να δημιουργούν χωρικά επαναλαμβανόμενα μοτίβα σε ιστούς σπονδυλωτών, όπως το σκελετικό σχέδιο των άκρων. Όμως τα ιστικά πεδία των σπονδυλωτών έχουν πολύπλοκες οργανώσεις, σε σύγκριση με το έμβρυο της αράχνης. Η γεωμετρική απλότητα του εμβρύου της αράχνης είναι ένας σημαντικός ελκυστικός παράγοντας για τη χρήση αυτού του ζώου για τη βασική έρευνα. Το είδος P. tepidariorum είναι ήρεμο και εύκολο στην αναπαραγωγή στο εργαστήριο. Το γονιδίωμά του έχει προσδιοριστεί η αλληλουχία [3] και η αξία αυτού του ζώου εκτιμάται όλο και περισσότερο μεταξύ των επιστημόνων.

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο, A quantitative study of the diversity of stripe-forming processes in a arthropod cell-based field underinging axis formation and growth, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Developmental Biology . Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους Natsuki Hemmi και Hiroki Oda από το JT Biohistory Research Hall, τον Yasuko Akiyama-Oda από το Ιατρικό Κολλέγιο της Οσάκα και τον Koichi Fujimoto από το Πανεπιστήμιο της Οσάκα.

Αναφορές:

1. Kanayama, M., Akiyama-Oda, Y., and Oda, H. (2010). Πρώιμη εμβρυϊκή ανάπτυξη στην αράχνη Achaearanea tepidariorum :Η μικροέγχυση επαληθεύει ότι η κυτταροποίηση έχει ολοκληρωθεί πριν από το στάδιο της βλαστοδερμίας. Arthropod Struct Dev 39 , 436-445. doi:10.1016/j.asd.2010.05.009.
2. Akiyama-Oda, Y., and Oda, H. (2010). Η κυτταρική μετανάστευση που προσανατολίζει τον ραχιαίο κοιλιακό άξονα συντονίζεται με προσθιοοπίσθιο μοτίβο που διαμεσολαβείται από τη σηματοδότηση Hedgehog στο πρώιμο έμβρυο αράχνης. Ανάπτυξη 137 , 1263-273. doi:10.1242/dev.045625.
3. Schwager, E.E., Sharma, P.P., Clarke, T., Leite, D.J., Wierschin, T., Pechmann, M., Akiyama-Oda, Y., Esposito, L., Bechsgaard, J., et al. (2017). Το γονιδίωμα της οικιακής αράχνης αποκαλύπτει έναν αρχαίο διπλασιασμό ολόκληρου του γονιδιώματος κατά την εξέλιξη των αραχνοειδών. BMC Biol 15 , 62. doi:10.1186/s12915-017-0399-x.
4. Μια ποσοτική μελέτη της ποικιλομορφίας των διαδικασιών σχηματισμού λωρίδων σε ένα πεδίο που βασίζεται σε κύτταρα αρθρόποδων που υφίσταται σχηματισμό και ανάπτυξη άξονα. Natsuki Hemmi, Yasuko Akiyama-Oda, Koichi Fujimoto και Hiroki Oda. Αναπτυξιακή Βιολογία 437 (2018) 84-104 doi:10.1016/j.ydbio.2018.03.001 URL:https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0012160617309089