Genetinis daugiafunkcinis darbas ir ląstelių konfliktų sprendimas


Paklauskite beveik bet kurio biologo ar bet kurio gamtos mylėtojo, ir jie greičiausiai su džiaugsmu išaukštins neįtikėtiną gyvybės žemėje įvairovę. Taip pat nuostabi, nors galbūt mažiau vertinama, yra mūsų pačių kūno įvairovė. Mes turime raumenų ląsteles, kurios susitraukia. Smegenų ląstelės, kurios bendrauja su elektriniais signalais. Imuninės ląstelės, kovojančios su įsibrovėliais. Ląstelės, kurios jaučia šviesą. Ląstelės, išskiriančios rūgštį, tulžį arba insuliną. Kaulų ląstelės. Odos ląstelės. Net ląstelės, kurios gali sukurti visiškai naujus žmones. Iš kur tokia įvairovė? Kalbant apie gyvūnų ir augalų įvairovę, atsakymo galime kreiptis į seną gerą Darviną: evoliucija pakeitė skirtingų rūšių genetinius kodus, įrankių rinkinius, kuriais sukuriamas kiekvienas organizmas, kad sukurtų skirtingas formas ir elgesį. Tačiau įvairios mūsų kūno ląstelės turi tą patį genetinį kodą. Ir kalbant apie daugelio skirtingų ląstelių generavimą iš to paties įrankių rinkinio, svarbiausia yra lankstus šių įrankių naudojimas. Tai daugiausia pasiekiama skirtingose ​​ląstelėse įjungiant skirtingus genus – raumenų genus raumenų ląstelėse, imuninius genus imuninėse ląstelėse. Tačiau šis lankstumas turi savo ribas. Dauguma genų yra įjungti keliuose skirtinguose ląstelių tipuose ir, nors genas ir jo atliekama funkcija yra iš esmės vienodi įvairių tipų ląstelėse, kuriose jis yra aktyvuotas, ląstelių poreikiai, kaip tokios funkcijos turėtų būti atliekamos. gali skirtis. Taigi, kaip atskiras genas gali prisitaikyti prie skirtingų ląstelių poreikių? Kai kuriais atvejais mūsų ląstelės gali sukurti skirtingas geno versijas skirtingose ​​ląstelėse per tokius procesus kaip alternatyvus sujungimas. Taip pat kai kurių genų koduojamus baltymus galima skirtingai modifikuoti, kad būtų pakeistos jų funkcijos. Neturint reikiamo lankstumo, kad atitiktų ląstelių poreikius, genas gali sukelti įdomų konfliktą: evoliucija gali optimizuoti A tipo ląstelių geno funkciją B tipo ląstelių sąskaita arba optimizuoti B tipo ląstelių geno funkciją. A ląstelių tipo sąskaita arba rasti kompromisą. Bet kuriuo atveju kažkas nori, o šie tam pačiam kūnui priklausantys ląstelių tipai idealiu atveju iš viso neprieštarautų. Suprasti tokius genetinius konfliktus ir tai, kaip juos sprendžia evoliucija, yra pagrindinis interesas Dr. Harmitas Malikas, Fredo Hutcho pagrindinių mokslų skyriaus profesorius ir Fredo Hutcho / Vašingtono universiteto vėžio konsorciumo narys. Naujame žurnale paskelbtame straipsnyje Gyvybės mokslų aljansasMaliko grupė, vadovaujama buvusios magistrantės dr. Lisa Kursel, nustatė geną, esantį vaisinės musės ląstelių tipų konflikto centre. Drosophilair apibūdino priemones, kuriomis buvo išspręstas konfliktas.

Kadangi evoliucija paprastai vyksta per ilgai, kad būtų galima ją stebėti, dauguma šio proceso istorijų yra pasakojamos atvirkščiai – stebime evoliucijos rezultatus ir dirbame atgal, kad suprastume, kaip viskas susiklostė taip, kaip yra. Ši istorija prasideda nuo universalaus ląstelių proceso – ląstelių dalijimosi – ir histono baltymo, kuris yra pagrindinis šiame veiksme – CenH3. „CenH3 lokalizuojasi centromerinėje DNR ir padeda įdarbinti kitus kinetochoro komponentus, kurie tarpininkauja chromosomų segregacijai“, – aiškina autoriai. Nepaisant ląstelių dalijimosi visur ir esminio CenH3 vaidmens, dr. Malikas ir Kurselis įtarė konfliktą. Taip yra todėl, kad ne visi ląstelių pasiskirstymai yra vienodi. Somatinės ląstelės patiria mitozę. Tačiau lytinės ląstelės – spermatozoidai ir oocitai – taip pat patiria mejozę, kuri turi savo unikalių keistenybių. Žmogaus kiaušialąstės sustoja vidury mejozės dešimtmečiams, laukdamos lytinės brandos ir savo eilės nukeliauti į ilgai lauktą kelionę kiaušintakiais, o CenH3 visą tą laiką turi išlaikyti centromerų struktūrą. Spermatozoidai yra dar dramatiškesni – po dalijimosi jų chromatinas radikaliai pertvarkomas, o CenH3 turi likti centromeruose, nes beveik visi kiti histono baltymai pašalinami ir pakeičiami spermatozoidui specifiniais DNR pakuojančiais baltymais; to nepadarius, tėvo chromosomos gali neleisti tinkamai nustatyti centromerų po spermatozoidų apvaisinimo. Taigi, autoriai atspindi: „Mes iškėlėme hipotezę, kad chromatino aplinka somoje skiriasi nuo gemalo linijos [and sperm versus egg] gali nustatyti skirtingus funkcinius reikalavimus vienam CenH3 genai“.

Kaip bandote patikrinti tokią hipotezę? „Šiuos skrodimas [proposed] daugybė funkcinių apribojimų daugelyje modelių organizmų (pvz., D. melanogaster ir M. musculus) yra sudėtingas, nes CenH3 yra esminis vienos kopijos genas šiose rūšyse“, – pažymėjo jie. Bet į Drosophiladažniau tiriamųjų giminaitis Drosophila melanogaster, jie manė, kad gali turėti rūšį, kuri rado natūralų savo konflikto sprendimą. Taip yra todėl, kad evoliucijos metu D. virilis CenH3 genas buvo dubliuotas, kad būtų sukurti du genai – Cid1 ir Cid5. Genų dubliavimas ir subfunkcionalizavimas yra klasikinis intralocus konfliktų sprendimas, nes kiekviena iš dviejų kopijų yra atlaisvinama, kad galėtų vystytis, kad atitiktų skirtingo tipo ląstelių poreikius. “Taigi, jie paaiškino, “genų dubliavimas suteikia unikalią galimybę tiksliau suprasti specifines CenH3 funkcijas”.

Jei spermai, kiaušinėliams ir somatinėms ląstelėms reikėjo kitokių dalykų nei CenH3, tada dublikatas Cid1 ir Cid5 genai turėjo išsivystyti, kad veiktų skirtingų tipų ląstelėse. Norėdamas tai patikrinti, daktaras Kurselis ištyrė, kur šie du genai yra išreikšti. Ji nustatė, kad Cid1, bet ne Cid5, yra somatinėse ląstelėse. Abu baltymai buvo rasti kiaušidėse ir sėklidėse, tačiau bręstant spermatozoidui ir kiaušinėliui autoriai pastebėjo skirtumą: Cid5 buvo prarastas iš oocitų prieš mejozės sustojimą, o Cid1 buvo prarastas iš spermos prieš reorganizuojant chromatiną. Taigi, atrodo, kad šie du baltymai funkciškai skiriasi: Cid5 buvo optimizuotas palaikyti spermatozoidų brendimą, o Cid1 optimizuotas palaikyti ir oocitų brendimą, ir somatinių ląstelių mitozę, o tai galbūt reiškia konflikto tarp vyriškų ir moteriškų lytinių ląstelių ištirpimą. gali tęstis iki šiol tuose organizmuose, kuriuose yra tik vienas CenH3 genas.

Natūralu ir viliojanti savo kūnus laikyti bendradarbiavimo pavyzdžiais – trilijonais ląstelių, veikiančių darniai bendradarbiaujant, kad palaikytų organizmą, kurio dalis jos visos yra. Pripažinimas, kad daugeliu atvejų juos kamuoja konfliktai ir vidinės kovos, parodo evoliucijos proceso netobulumą ir sudėtingumą, taip pat, ko gero, tikrai sudėtingą jo sukurto gyvenimo grožį ir įvairovę.