Tvärsnitt genom en tentakel av en transgen havsanemon som visar differentieringsprodukter av SoxC-cellpopulationen (magenta) och retraktormuskler (gul). (C:Andreas Denner). Kredit:C:Andreas Denner
Det genetiska fingeravtrycket från havsanemonen Nematostella vectensis visar att medlemmarna i denna evolutionärt mycket gamla djursektion använder samma genkaskader för differentiering av neuronala celltyper som mer komplexa organismer. Dessa gener är också ansvariga för balansen av alla celler i organismen under anemonens liv. Resultaten publicerades av ett team av utvecklingsbiologer under ledning av Ulrich Technau vid universitetet i Wien i Cell Reports .
Nästan alla djurorganismer är gjorda av miljoner, om inte miljarder celler som grupperar sig på komplexa sätt för att bilda specifika vävnader och organ, som består av flera olika celltyper, såsom en mängd olika neuroner eller körtelceller. Hur denna viktiga balans mellan olika celltyper uppstår, hur den regleras och om de olika celltyperna hos olika djurorganismer har ett gemensamt ursprung är inte väl förstått.
Encellsfingeravtryck leder till gemensamma förfäder
Forskargruppen, ledd av den evolutionära utvecklingsbiologen Ulrich Technau, som också är chef för Single Cell Regulation of Stem Cells (SinCeReSt) forskningsplattform vid Wiens universitet, har dechiffrerat mångfalden och utvecklingen av alla nerv- och körtelcellstyper och deras utvecklingsursprung i havsanemon Nematostella vectensis. För att uppnå detta använde de encellstranskriptomik, en metod som har revolutionerat biomedicin och evolutionsbiologi under det senaste decenniet.
"Med detta kan hela organismer lösas upp till enstaka celler — och hela alla för närvarande uttryckta gener i varje enskild cell kan avkodas. Olika celltyper skiljer sig fundamentalt åt i generna de uttrycker. Därför kan transkriptomik för enstaka celler användas för att bestämma det molekylära fingeravtrycket för varje enskild cell", förklarar Julia Steger, första författare till den aktuella publikationen.
I studien grupperades celler med ett överlappande fingeravtryck. Detta gjorde det möjligt för forskarna att särskilja definierade celltyper eller celler i övergångsstadier av utveckling, var och en med unika uttryckskombinationer. Det gjorde det också möjligt för forskarna att identifiera de vanliga progenitor- och stamcellspopulationerna i de olika vävnaderna. Till sin förvåning fann de att, i motsats till tidigare antaganden, neuroner, körtelceller och andra sensoriska celler härstammar från en vanlig stamfaderpopulation, som kunde verifieras genom genetisk märkning i levande djur. Eftersom vissa körtelceller med neuronala funktioner också är kända hos ryggradsdjur, kan detta tyda på ett mycket gammalt evolutionärt förhållande mellan körtelceller och neuroner.
Optiskt längsgående snitt av en havsanemon med nanos1-transgena neuronala celler (röda) i båda cellskikten. Muskler färgas grönt, cellkärnor i blått. (C:Andreas Denner). Kredit:C:Andreas Denner
Gammal gen i ständig användning
En gen spelar en speciell roll i utvecklingen av dessa gemensamma förfäderceller. SoxC uttrycks i alla prekursorceller till neuroner, körtelceller och cnidocyter och är avgörande för bildandet av alla dessa celltyper, vilket författarna dessutom kunde visa i knockout-experiment.
"Intressant nog är den här genen inte främmande:den spelar också en viktig roll i bildandet av nervsystemet hos människor och många andra djur, vilket tillsammans med andra data visar att dessa nyckelreglerande mekanismer för nervcellsdifferentiering verkar vara bevarade över hela djurriket", säger Technau.
Genom att jämföra olika livsstadier fann författarna också att hos havsanemoner upprätthålls de genetiska processerna för neuronutveckling från embryot till den vuxna organismen, vilket bidrar till balansen av neuroner under Nematostella vectensis liv. Detta är anmärkningsvärt eftersom, till skillnad från människor, kan havsanemoner ersätta saknade eller skadade nervceller under hela livet. För framtida forskning väcker detta frågan om hur havsanemonen lyckas upprätthålla dessa mekanismer, som hos mer komplexa organismer endast förekommer i embryonalstadiet, in i den vuxna organismen på ett kontrollerat sätt. + Utforska vidare
