Deze vreemde, bloedzuigende vissen hebben een ‘verbazingwekkende’ evolutionaire oorsprong

Deze invasieve, bloedzuigende vissen kunnen de sleutel vormen tot het begrijpen van onze oorsprong.

Een van de slechts twee zonder kaken Gewervelde dierenZeeprikken, die aanzienlijke schade toebrengen aan de visserij in het Midwesten, helpen wetenschappers ook de oorsprong te begrijpen van twee fundamentele stamcellen die een sleutelrol speelden in de evolutie van gewervelde dieren.

Noordwestelijke Universiteit Biologen konden vaststellen wanneer het netwerk van genen die deze stamcellen reguleerden zich ontwikkelde, en kregen inzicht in wat mogelijk verantwoordelijk is voor het verlies van de onderkaak van de lamprei.

De twee soorten cellen – pluripotente mestcellen (of embryonale stamcellen) en neurale lijstcellen – zijn beide ‘pluripotent’, wat betekent dat ze alle andere celtypen in het lichaam kunnen worden.

In een nieuw artikel vergeleken onderzoekers de genen van de lamprei met die van de Xenopus-kaakkikker. Met behulp van vergelijkende transcriptoomanalyse onthulde de studie een pluripotentiegennetwerk dat opvallend vergelijkbaar is tussen kaakloze en kaakgewervelde dieren, zelfs op het niveau van de overvloed aan transcripten voor belangrijke regulerende factoren.

Verschillen in genexpressie

Maar de onderzoekers ontdekten ook een belangrijk verschil. Terwijl beide Classificeren“Blastulacellen brengen het pou5-gen tot expressie, een belangrijke stamcelregulator, en dit gen komt niet tot expressie in neurale stamcellen van lamprey. Het verlies van deze factor heeft mogelijk het vermogen van neurale stamcellen beperkt om aanleiding te geven tot de celtypen die worden aangetroffen in gewervelde gewervelde dieren (dieren). (met stekels) die de structuur van het hoofd en de kaak vormen.”

Het onderzoek is onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Natuurlijke ecologie en evolutie.

Door de biologie van gewervelde dieren met en zonder kaak te vergelijken, kunnen onderzoekers inzicht krijgen in de evolutionaire oorsprong van kenmerken die gewervelde dieren, inclusief de mens, definiëren, hoe verschillen in genexpressie bijdragen aan grote verschillen in lichaamsbouw, en hoe de gemeenschappelijke voorouder van alle gewervelde dieren eruit zag. .

“Lampreys kunnen de sleutel zijn om onze oorsprong te begrijpen,” zegt Carol Labone van de Northwestern University, die het onderzoek leidde. “Als je in de evolutionaire biologie de oorsprong van een eigenschap wilt begrijpen, kun je niet naar complexere gewervelde dieren kijken 500 onafhankelijk geëvolueerd. “Een miljoen jaar geleden moet je terugkijken op welke primitieve versie van het dier je ook bestudeert, wat ons terugbrengt bij de slijmprik en de lamprei – de laatste levende voorbeelden van kaakloze gewervelde dieren.”

Labone is een expert in ontwikkelingsbiologie en hoogleraar moleculair biologische wetenschappen aan het Weinberg College of Arts and Sciences. Ze bekleedt de Erastus Otis Haven-leerstoel en maakt deel uit van de leiding van het Simons Institute for the Theory and Mathematics of Biology van de National Science Foundation.

Labone en collega’s hebben eerder aangetoond dat de ontwikkelingsoorsprong van neurale lijstcellen verband hield met het behoud van het genregulerende netwerk dat de pluripotentie in blastulastamcellen controleert. In de nieuwe studie onderzochten ze de evolutionaire oorsprong van de verbanden tussen deze twee groepen stamcellen.

Het belang van neurale lijstcellen

“Neurale stamcellen zijn als een ontwikkelings-Lego-set: ze veranderen in compleet verschillende soorten cellen, inclusief neuronen en spieren, en wat al deze celtypen gemeen hebben is een gemeenschappelijke ontwikkelingsoorsprong binnen de neurale top”, zei Labone.

Terwijl embryonale stamcellen in het blastulastadium hun vermogen om pluripotent te worden verliezen en zeer snel beperkt worden tot verschillende celtypen naarmate het embryo groeit, klampen neurale lijstcellen zich vast aan de moleculaire gereedschapskist die de pluripotentie later in de ontwikkeling controleert.

Het team van Labone ontdekte een volledig intact pluripotentienetwerk binnen lampreyblastulacellen, stamcellen waarvan de rol bij kaakloze gewervelde dieren in twijfel werd getrokken. Dit betekent dat de blastula- en neurale lijststamcelpopulaties bij kaakloze en kaakloze gewervelde dieren samen zijn geëvolueerd aan de basis van de gewervelde dieren.

Joshua York, postdoctoraal onderzoeker en eerste auteur van de Northwestern University, merkte “meer overeenkomsten dan verschillen” op tussen prikken en Xenopus.

“Hoewel de meeste genen die de pluripotentie controleren tot expressie komen in de neuronale top van de lamprei, is de expressie van een van deze sleutelgenen – pou5 – in deze cellen verloren gegaan,” zei York. “Hoewel pou5 niet tot expressie komt in de neuronale top van prikken, kan het verrassend genoeg de vorming van neuronale tops bevorderen wanneer het tot expressie komt in kikkers, wat suggereert dat dit gen deel uitmaakt van een oud pluripotentienetwerk dat aanwezig is in onze vroegste gewervelde voorouders.

Het experiment hielp hen ook de hypothese naar voren te brengen dat dit gen specifiek bij sommige wezens verloren was gegaan, en niet iets dat later door gewervelde dieren werd ontwikkeld.

“Een andere opmerkelijke bevinding uit het onderzoek is dat, hoewel deze dieren 500 miljoen jaar evolutie van elkaar gescheiden zijn, er strikte beperkingen zijn aan de expressieniveaus van genen die nodig zijn om pluripotentie te bevorderen,” zei Labon. “De grote onbeantwoorde vraag is: waarom?”

Referentie: “Gemeenschappelijke kenmerken van blastocyststamcellen en de neurale top die zich ontwikkelde aan de basis van gewervelde dieren” door Joshua R. York, Anjali Rao en Paul B. Hooper en Elizabeth N. Schock, Andrew Montequin, Sarah Rigney en Carol Labone, 26 juli 2024, Natuurlijke ecologie en evolutie.
doi: 10.1038/s41559-024-02476-8

Dit artikel werd gefinancierd door Nationale gezondheidsinstituten (Grants R01GM116538 en F32DE029113), de National Science Foundation (Grant 1764421), de Simons Foundation (Grant SFARI 597491-RWC) en de Walder Foundation via de Life Sciences Research Foundation. De studie is opgedragen aan de nagedachtenis van Dr. Joseph Walder.