SciTechDaily

ניקולס

סיפור אבולוציוני בן מיליארד שנים – ביולוגים עוקבים אחר חלוקת התא לשורשים

ה-Ichthyosporeans Sphaeroforma arctica ו-Chromosphaera perkinsii עוברים מיטוזה, מתוארים כשני חצאי תא, מעובדים בגוונים בהשראת האקל ובסגנון טבע. קרדיט: נירופה ראו

ממצאים חדשים של חוקרי EMBL חושפים כיצד בעלי חיים ופטריות פיתחו תהליכי חלוקת תאים שונים כדי להתאים למחזורי החיים המגוונים שלהם.

חלוקת תאים היא תהליך מכריע עבור כל צורות החיים, מחיידקים ועד לווייתנים כחולים, המאפשרת צמיחה, רבייה והמשך של מִין. למרות אופיו האוניברסלי, שיטות חלוקת התאים משתנות באופן משמעותי בין אורגניזמים. מחקר שנערך לאחרונה על ידי קבוצת Dey של EMBL Heidelberg, יחד עם משתפי הפעולה שלהם ופורסם ב טֶבַע, חוקר את האבולוציה של שיטות חלוקת תאים באורגניזמים הקשורים קשר הדוק לפטריות ובעלי חיים. לראשונה, מחקר זה מדגים את הקשר בין מחזור החיים של אורגניזם וטכניקות חלוקת התאים שלו.

למרות השיתוף האחרון של אב קדמון משותף לפני יותר ממיליארד שנים, בעלי חיים ופטריות דומים במובנים רבים. שניהם שייכים לקבוצה רחבה יותר הנקראת 'אאוקריוטים' – אורגניזמים שתאיהם אוגרים את החומר הגנטי שלהם בתוך תא סגור הנקרא 'גרעין'. השניים שונים, עם זאת, באופן שבו הם מבצעים תהליכים פיזיולוגיים רבים, כולל הסוג הנפוץ ביותר של חלוקת תאים – מיטוזה.

רוב תאי בעלי החיים עוברים מיטוזה 'פתוחה', שבה המעטפת הגרעינית – הממברנה הדו-שכבתית המפרידה בין הגרעין לשאר התא – מתפרקת עם תחילת חלוקת התא. עם זאת, רוב הפטריות משתמשות בצורה שונה של חלוקת תאים – הנקראת מיטוזה 'סגורה' – שבה המעטפת הגרעינית נשארת שלמה לאורך תהליך החלוקה. עם זאת, מעט מאוד ידוע על מדוע או כיצד התפתחו שני האופנים הנבדלים הללו של חלוקת תאים ואילו גורמים קובעים על איזה מצב יבוא בעיקר מין מסוים.

שיתוף פעולה מחקר ומתודולוגיה

שאלה זו תפסה את תשומת לבם של מדענים מקבוצת Dey ב-EMBL היידלברג, שחקרו את המקורות האבולוציוניים של חלוקת הגרעין והתאים. "על ידי לימוד המגוון בין אורגניזמים ובנייה מחדש של האופן שבו דברים התפתחו, אנחנו יכולים להתחיל לשאול אם יש כללים אוניברסליים שעומדים בבסיס האופן שבו תהליכים ביולוגיים בסיסיים כאלה פועלים", אמר גאוטם דיי, ראש קבוצה ב-EMBL היידלברג.

בשנת 2020, במהלך ה COVID 19 נעילה, דרך בלתי צפויה לתשובה לשאלה זו צמחה מתוך דיונים בין הקבוצה של דיי והצוות של אומיה דודין במכון הטכנולוגי הפדרלי של שוויץ (EPFL), לוזאן. דודין הוא מומחה לקבוצה יוצאת דופן של פרוטיסטים ימיים – Ichthyosporea. Ichthyosporea קשורים קשר הדוק הן לפטריות והן לבעלי חיים, כאשר מינים שונים שוכנים קרוב יותר לקבוצה אחת או אחרת בעץ המשפחה האבולוציוני.

קבוצות די ודודין, בשיתוף עם קבוצתו של יאניק שוואב ב-EMBL היידלברג, החליטו לחקור את מקורותיה של מיטוזה פתוחה וסגורה באמצעות Ichthyosporea כמודל. מעניין לציין שהחוקרים מצאו שמינים מסוימים של איכטיוספוראה עוברים מיטוזה סגורה בעוד שאחרים עוברים מיטוזה פתוחה. לכן, על ידי השוואה והשוואה לביולוגיה שלהם, הם יכלו לקבל תובנות לגבי האופן שבו אורגניזמים מסתגלים לשתי אופני חלוקת התאים הללו ומשתמשים בהם.

Hiral Shah, עמית EIPOD שעובד בשלוש הקבוצות, הוביל את המחקר. "לאחר שזיהיתי מוקדם מאוד כי איכטיוספורה, עם הגרעינים הרבים והמיקום האבולוציוני המפתח שלהם בין בעלי חיים ופטריות, מתאימים היטב להתייחסות לשאלה זו, היה ברור שזה ידרוש חיבור בין המומחיות הביולוגית והטכנית של התא של ה-Dey, Dudin , וקבוצות שוואב, וזה בדיוק מה שהמלגת EIPOD אפשרה לי לעשות", אמר שאה.

לאחר בדיקה מדוקדקת של מנגנוני חלוקת התאים בשני מינים של איכטיוספורים, מצאו החוקרים כי מין אחד, ס. ארקטיקה, מעדיף מיטוזה סגורה, בדומה לפטריות. ס. ארקטיקה יש גם מחזור חיים עם שלב רב-גרעיני, שבו קיימים גרעינים רבים בתוך אותו תא – תכונה נוספת המשותפת עם מינים פטרייתיים רבים, כמו גם את השלבים העובריים של בעלי חיים מסוימים, כגון זבובי פירות. מין אחר, C. perkinsii, התגלה כבעלי חיים הרבה יותר, בהסתמך על מיטוזה פתוחה. מחזור החיים שלו כולל בעיקר שלבים חד-גרעיניים, כאשר לכל תא יש גרעין בודד.

השלכות להבנת חלוקת תאים אוקריוטיים

"הממצאים שלנו הובילו להסקת המפתח שהדרך שבה תאי בעלי חיים עושים מיטוזה התפתחה מאות מיליוני שנים לפני שבעלי חיים עשו זאת. לפיכך, לעבודה יש ​​השלכות ישירות על ההבנה הכללית שלנו לגבי האופן שבו מנגנוני חלוקת תאים אוקריוטיים מתפתחים ומתגוננים בהקשר של מחזורי חיים מגוונים, ומספקת חלק מרכזי בפאזל מקורות בעלי החיים", אמר דיי.

המחקר שילב מומחיות בפילוגנטיקה השוואתית, מיקרוסקופיה אלקטרונית (מקבוצת Schwab וממתקן ליבת מיקרוסקופיה אלקטרונית (EMCF) ב-EMBL Heidelberg), ומיקרוסקופ הרחבה אולטרה-מבנה, טכניקה הכוללת הטבעה של דגימות ביולוגיות בג'ל שקוף והרחבתו פיזית. בנוסף, Eelco Tromer, מאוניברסיטת חרונינגן בהולנד, ואיווה טוליק, ממכון Ruđer Bošković בזאגרב, קרואטיה, סיפקו מומחיות בגנומיקה השוואתית ובגיאומטריית ציר מיטוטי וביופיזיקה, בהתאמה.

"בפעם הראשונה ראינו מורחבת ס. ארקטיקה גרעין, ידענו שהטכניקה הזו תשנה את הדרך שבה אנו חוקרים את הביולוגיה של התא של אורגניזמים שאינם מודלים", אמר שאה, שהחזיר את טכניקת המיקרוסקופיה ההרחבה ל-EMBL היידלברג לאחר ביקור במעבדת דודין. דיי מסכים: "פריצת דרך מרכזית במחקר זה הגיעה עם היישום שלנו של מיקרוסקופ התרחבות אולטרה-מבנה (U-ExM) לניתוח שלד הציטוספורי האיכטיוספורי. ללא U-ExM, אימונופלואורסצנטיות ורוב פרוטוקולי תיוג הצבעים אינם פועלים בקבוצה הבלתי נחקרה הזו של הולוזאונים ימיים."

מחקר זה גם מדגים את החשיבות של מעבר לחקר מודלים מסורתיים של אורגניזמים כאשר מנסים לענות על שאלות ביולוגיות רחבות, והתובנות הפוטנציאליות שמחקר נוסף על מערכות איכטיוספוריות עשוי לחשוף. "ההתפתחות האיכטיוספורית מציגה גיוון מדהים", אמר דודין. "מצד אחד, כמה מינים מציגים דפוסי התפתחות דומים לאלו של עוברי חרקים מוקדמים, הכוללים שלבים מרובי גרעינים ותאי תאים מסונכרנים. מצד שני, C. perkinsii עובר חלוקת מחשוף, שבירת סימטריה ויוצר מושבות רב-תאיות עם סוגי תאים שונים, בדומה ל'השקפה הקנונית' של עוברי בעלי חיים מוקדמים. הגיוון הזה לא רק עוזר בהבנת הדרך לבעלי חיים אלא גם מציע הזדמנות מרתקת לאמבריולוגיה השוואתית מחוץ לבעלי חיים, וזה, כשלעצמו, מאוד מרגש".

האינטר-דיסציפלינריות הטבועה בפרויקט שימשה לא רק מבחן טוב לסוג זה של מחקר שיתופי, אלא גם להכשרה הפוסט-דוקטורטית הייחודית הניתנת ב-EMBL. "הפרויקט של Hiral ממחיש יפה את מעלתה של תוכנית EIPOD: פרויקט אינטרדיסציפלינרי אמיתי, המשלב ביולוגיה חדשנית עם שיטות מתקדמות, כולן תורמות להתפתחות אישית מרהיבה באמת", אמר שוואב. "אנחנו (כמנטורים) עדים להולדתו של מדען חזק, וזה באמת מתגמל!"

קבוצות Dey, Dudin ו-Schwab משתפות כעת פעולה גם בפרויקט PlanExM, חלק ממשחת TREC – יוזמה בהובלת EMBL לחקור ולדגום את המגוון הביולוגי לאורך חופי אירופה. PlanExM שואפת ליישם מיקרוסקופ הרחבה כדי לחקור את המגוון האולטרה-סטרוקטורלי של פרוטיסטים ימיים ישירות בדגימות סביבתיות. "הפרויקט צמח מתוך ההבנה ש-U-ExM הולכת להיות מחליף משחקים לפרוטיסטולוגיה ומיקרוביולוגיה ימית", אמר דיי. עם פרויקט זה, כמו גם אחרים המתבצעים כעת, צוות המחקר מקווה לשפוך אור נוסף על מגוון החיים על פני כדור הארץ ועל התפתחות התהליכים הביולוגיים הבסיסיים.

ניקולס