Изучение разнообразия в делении клеток: исследование изучает процесс эволюции, который поддерживает разнообразные жизненные циклы.

Важные новости

Изучение разнообразия в клетках подразделение: Исследование изучает процесс эволюции, который поддерживает разнообразные жизненные циклы

C. perkinsii подвергается открытому митозу. Фото: Природа (2024 г.). DOI: 10.1038/s41586-024-07430-z

Новое исследование ученых EMBL показывает, как различные способы деления клеток, используемые животными и грибами, могли эволюционировать для поддержания разнообразных жизненных циклов.

Деление клеток – один из наиболее фундаментальных процессов жизни. От бактерий до синих китов — каждое живое существо на Земле зависит от деления клеток для роста, размножения и выживания видов. Тем не менее, существует поразительное разнообразие в том, как разные организмы осуществляют этот универсальный процесс.

Новое исследование группы Дея из EMBL Heidelberg и их сотрудников, недавно опубликованное в журнале Nature, исследует, как различные способы деления клеток развивались у близких родственников грибов и животных, впервые демонстрируя связь между жизненным циклом организма и способом деления его клеток.

Несмотря на то, что в последний раз у них был общий предок более миллиарда лет назад, животные и грибы во многом схожи. Оба принадлежат к более широкой группе, называемой «эукариоты» — организмами, клетки которых хранят свой генетический материал внутри закрытого отсека, называемого «ядро». Однако эти две клетки различаются тем, как они осуществляют многие физиологические процессы, включая наиболее распространенный тип клеточного деления — митоз.

Большинство клеток животных подвергаются «открытому» митозу, при котором ядерная оболочка — два -слоистая мембрана, отделяющая ядро ​​от остальной части клетки, разрушается, когда начинается деление клетки. Однако большинство грибов используют другую форму клеточного деления, называемую «закрытым» митозом, при которой ядерная оболочка остается неповрежденной на протяжении всего процесса деления.

Очень мало известно о том, почему и как развились эти два различных способа деления клеток и какие факторы определяют, какому способу будет преимущественно следовать тот или иной вид.

Этот вопрос привлек внимание ученых из группы Дея на конференции EMBL Heidelberg, которые исследуют эволюционное происхождение ядра и деления клеток.

«Изучая разнообразие организмов и реконструируя, как все развивалось, мы можем начать задаваться вопросом, существуют ли универсальные правила, лежащие в основе того, как такие фундаментальные биологические процессы процессы работают», — сказал Гаутам Дей, руководитель группы EMBL Heidelberg.

В 2020 году, во время карантина из-за COVID-19, неожиданный путь к ответу на этот вопрос появился в ходе дискуссий между группой Дея и командой Омайи Дудина в Швейцарском федеральном технологическом институте (EPFL) в Лозанне. Дудин — эксперт по необычной группе морских простейших — ихтиоспории. Ихтиоспории тесно связаны как с грибами, так и с животными, при этом разные виды лежат ближе к той или иной группе эволюционного генеалогического древа.

Группы Дея и Дудина в сотрудничестве с группой Янника Шваба из EMBL Гейдельберга решили исследовать происхождение открытого и закрытого митоза, используя ихтиоспорию в качестве модели. Интересно, что исследователи обнаружили, что некоторые виды Ichthyosporea подвергаются закрытому митозу, тогда как другие подвергаются открытому митозу. Таким образом, сравнивая и противопоставляя их биологию, они могли бы получить представление о том, как организмы адаптируются и используют эти два режима деления клеток.

Исследование возглавил Хирал Шах, научный сотрудник EIPOD, работающий в трех группах. «Очень рано признав, что ихтиоспории с их многочисленными ядрами и ключевым эволюционным положением между животными и грибами хорошо подходят для решения этого вопроса, стало ясно, что это потребует объединения клеточных биологических и технических знаний Дея, Дудина. и группы Шваба, и это именно то, что стипендия EIPOD позволила мне сделать», — сказал Шах.

Тщательно исследовав механизмы деления клеток у двух видов ихтиоспорий, исследователи обнаружили, что один вид, S. arctica, предпочитает закрытый митоз, подобно грибам. S. arctica также имеет жизненный цикл с многоядерной стадией, когда в одной клетке существует множество ядер — еще одна особенность, общая для многих видов грибов, а также для эмбриональных стадий некоторых животных, таких как плодовые мухи.

Другой вид, C. perkinsii, оказался гораздо более животным, опираясь на открытый митоз. Его жизненный цикл включает в основном мононуклеатные стадии, когда каждая клетка имеет одно ядро.

«Наши результаты привели к ключевому выводу о том, что способ митоза в клетках животных развился на сотни миллионов лет раньше, чем это сделали животные. Работа следовательно, имеет прямое значение для нашего общего понимания того, как механизмы деления эукариотических клеток развиваются и диверсифицируются в контексте разнообразных жизненных циклов, и представляет собой ключевую часть загадки происхождения животных», — сказал Дей.

В исследовании сочетались знания в области сравнительной филогенетики, электронной микроскопии (от Schwab Group и основного центра электронной микроскопии (EMCF) в EMBL Heidelberg) и микроскопии расширения ультраструктуры — метода, который включает в себя встраивание биологических образцов в прозрачный гель и его физическое расширение.

Кроме того, Элко Тромер из Университета Гронингена в Нидерландах и Ива Толик из Руэр Боасковиć Институт в Загребе, Хорватия, предоставил экспертные знания в области сравнительной геномики, геометрии митотического веретена и биофизики соответственно.

«Когда мы впервые увидели расширенное ядро ​​S. arctica, мы знали, что этот метод изменит способ изучения клеточной биологии немодельных организмов», — сказал Шах, который вернул метод расширенной микроскопии в EMBL Гейдельберг после работы в лаборатория Дудина.

Дей соглашается: «Ключевым прорывом в этом исследовании стало применение нами микроскопии расширения ультраструктуры (U-ExM) для анализа ихтиоспорового цитоскелета. Без U-ExM иммунофлуоресценция и большинство протоколов мечения красителями не работают в этой недостаточно изученной группе животных. морские голозойные организмы».

Это исследование также демонстрирует важность выхода за рамки традиционных исследований модельных организмов при попытке ответить на широкие биологические вопросы, а также потенциальную информацию, которую могут раскрыть дальнейшие исследования ихтиоспоровых систем.

«Развитие ихтиоспор демонстрирует удивительное разнообразие», — сказал Дудин. «С одной стороны, некоторые виды демонстрируют закономерности развития, сходные с таковыми у ранних эмбрионов насекомых, с многоядерными стадиями и синхронизированной клеточной структурой.

»С другой стороны, C. perkinsii подвергается делению дробления, нарушению симметрии и формированию многоклеточные колонии с разными типами клеток, что соответствует «каноническому представлению» о ранних эмбрионах животных. Это разнообразие не только помогает понять путь к животным, но и открывает замечательную возможность для сравнительной эмбриологии за пределами животных, что само по себе очень интересно.»

Присущая проекту междисциплинарность послужила не только хорошей испытательной площадкой для такого типа совместных исследований, но и для уникальной постдокторской подготовки, предоставляемой в EMBL.

«Проект Хирала прекрасно иллюстрирует достоинства программы EIPOD: поистине междисциплинарная программа проект, объединяющий инновационную биологию с передовыми методами, и все это способствует поистине впечатляющему развитию личности», — сказал Шваб. «Мы (как наставники) стали свидетелями рождения сильного учёного, и это действительно приятно».

Группы Дея, Дудина и Шваба в настоящее время также сотрудничают в проекте PlanExM, являющемся частью экспедиции TREC — инициативы под руководством EMBL по исследованию и отбору проб биоразнообразия вдоль европейских побережий. Целью PlanExM является применение расширяющей микроскопии для изучения ультраструктурного разнообразия морских простейших непосредственно в образцах окружающей среды.

«Проект вырос из осознания того, что U-ExM изменит правила игры в протистологии и морской среде. микробиологии», — сказал Дей. С помощью этого проекта, как и других, реализуемых в настоящее время, исследовательская группа надеется пролить дополнительный свет на разнообразие жизни на Земле и эволюцию фундаментальных биологических процессов.

Дополнительная информация: Гаутам Дей, Эволюция митоза, связанная с жизненным циклом у близких родственников животных, Природа (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07430-z. www.nature.com/articles/s41586-024-07430-z

Информация журнала: Nature

Предоставлено Европейской лабораторией молекулярной биологии

Новости сегодня

Последние новости