Článek v časopise Nature: Nové geny a jejich specializace v evoluci buněk neurální lišty
Mihule jsou spolu se sliznatkami jedinými recentními skupinami bezčelistných obratlovců.
Vznik nových genů, jejich duplikace a následná funkční specializace patří mezi hlavní faktory evoluce morfologických novinek. Přestože je toto tvrzení součástí učebnic evoluční biologie už desítky let, příkladů dokumentujících roli nových genů v evoluci konkrétní morfologické inovace není mnoho.
Buňky neurální lišty jsou migrující multipotentní embryonální buňky vyskytující se pouze u obratlovců. Vznikají v průběhu formování neurální trubice, kdy se z její dorzální části začnou postupně uvolňovat a migrovat ventrálním směrem podél celé předo-zadní osy obratlovčího embrya. V cílové destinaci se diferencují do nových buněčných typů, které obratlovce morfologicky definují, jako jsou buňky vaziv, chrupavek, kostí a zubů, srdce, periferní nervové soustavy, nebo pigmentové buňky.
Jednotlivé fáze embryonálního vývoje neurální lišty jsou regulovány aktivitou desítek signalizačních bílkovin a transkripčních faktorů kódovaných geny, mezi kterými jsou také některé známé onkogeny, jako např. Myc . Velká většina těchto regulačních genů je však evolučně starobylá a do vývoje buněk neurální lišty byla v průběhu její evoluce sekundárně kooptována z jiných buněčných typů.
Jednou z genových rodin, které jsou unikátní pro obratlovce a zároveň sehrávají zásadní roli v embryonální regulaci buněk neurální lišty, jak již bylo známo ze studií myši a ryby zebřičky, jsou endotelíny. A právě evolucí entodelínů a jejich funkcí v embryonálním vývoji obratlovců se tým, kterého součástí byl Dr. Jandzík, podrobně zabýval ve svém článku. Ten částečně vznikal i v průběhu jeho téměř tříletého působení v Laboratoři pro studium kraniofaciální evoluce a vývoje Dr. Roberta Černého na Katedře zoologie UK.
Tříměsíční CRISPR-mutant larvy mihule mořské. Foto: David Jandzik
Rodina endotelínů je tvořena membránovými receptory – proteiny, které v buněčné membráně přijímají signály od svých specificky se navazujících ligandů, tedy proteinů sekretovaných do mezibuněčného prostoru buňkami okolních tkání. Endotelínové receptory předávají tento signál dále proteinům uvnitř buňky a spouští kaskádu, na jejímž konci je zapnutí nebo vypnutí transkripce cílových genů podílejících se na „paternování “ a finální diferenciaci buněk neurální lišty.
Fylogeneze endotelínových sekvencí, analýza uspořádání endotelínových receptorů a ligandů na chromozomech (syntenie) a zejména výsledky funkčních genetických experimentů dokládají, že v evoluční linii vedoucí ke společnému předku všech obratlovců došlo k duplikaci původně jednoho receptoru a jednoho ligandu. Překvapivě však, jejich další evoluce už probíhala rozdílně ve dvou hlavních liniích obratlovců – u čelistnatců a bezčelistnatých.
Autoři článku v Nature blíže analyzovali embryonální funkce všech endotelínových receptorů i ligandů a rovněž rodiny homeoboxových transkripčních faktorů dlx (distalless) u zástupců obou velkých obratlovčích linií – u bezčelistnaté mihule mořské (Petromyzon marinus) a u čelistnatce žáby drápatky vodní (Xenopus laevis). Při studiu využili optimalizovanou metodu cílené mutageneze CRISPR/Cas9 díky níž byli schopni studovat mutantní fenotypy i u těchto dvou modelových druhů, u kterých je velice náročné, nebo v případě mihule prakticky nemožné, získat vícegenerační mutantní genetické linie, jako je tomu u standardních genetických modelů, např. háďátka, octomilky, nebo myši. Mihuli mořské totiž trvá pět až sedm let, než dosáhne dospělosti a ve svém životním cyklu střídá fázi usedlou mořskou nebo jezerní s migrující fází říčnou. V laboratorních podmínkách jsou tak vědci odkázáni jen na embrya získána od migrujících dospělců odchycených v přírodě a na analýzu tzv. transientních mutantů nulté generace.
Funkční genetická analýza odhalila, že u čelistnatců jsou přítomné dva endotelínové receptory (ednra a ednrb), které jsou plně funkčně nezávislé a regulují jiné populace buněk neurální lišty – ednra skeletogenní mezenchym a srdeční tkanivo a ednrb nervové a pigmentové buňky. Naproti tomu u mihule, jsou tyto receptory sice funkčně segregovány v populaci nervových a srdečních buněk, ale při regulaci skeletogenního mezenchymu překvapivě vzájemně kooperují a ve vývoji pigmentových buněk dokonce pracují protichůdně. Podobně specializované jsou i jejich ligandy (tři u drápatky, šest u mihule), které se specificky vážou na konkrétní receptor, přestože jejich interakcí s největší pravděpodobností rovněž proběhla nezávisle mezi čelistnatými a bezčelistnatými obratlovci.
Autoři též objasnili, že endotelíny neovlivňují ranou specifikaci a migraci buněk neurální lišty, jak by se mohlo na první pohled jevit z hypomorfních, tedy mírnějších mutantních fenotypů. Zajímavé je, že s nefunkční entodelínovou signalizací vytvářejí obratlovčí embrya všechny buněčné deriváty buněk neurální lišty, z čehož je zřejmé, že k aktivaci endotelínové signalizace a její integraci do příslušné genové regulační sítě došlo až u společného předka obratlovců, který už multipotentní buňky neurální lišty měl. Částečně konzervovaná specializace endotelínů v některých subpopulacích buněk neurální lišty mezi čelistnatci a bezčelistnatými zas naznačuje, že po jednom nebo dvou kolech celogenómových duplikací obratlovců získaly jednotlivé paralogy receptorů i ligandů rozdílné role v různých populacích buněk. To umožnilo rozdělení buněk neurální lišty do tří nebo čtyř subpopulací závislých na různé endotelínové signalizaci.
Autoři v závěru článku nastiňují možnost, že právě tato vývojová modularita umožnila nezávislou evoluci jednotlivých populací buněk neurální lišty a jejich derivátů u čelistnatých a bezčelistnatých obratlovců a významně tak přispěla k jejich morfologické divergenci.
Akce dokumentů