Ny forskning från EMBL-forskare visar hur olika celldelningssätt som används av djur och svampar kan ha utvecklats för att stödja olika livscykler.
Celldelning är en av livets mest grundläggande processer. Från bakterier till blåvalar, alla levande varelser på jorden är beroende av celldelning för tillväxt, reproduktion och arternas överlevnad. Ändå finns det en anmärkningsvärd mångfald i hur olika organismer utför denna universella process.
En ny studie från EMBL Heidelbergs Dey-grupp och deras medarbetare, nyligen publicerad i Nature , utforskar hur olika former av celldelning utvecklades i nära släktingar till svampar och djur, och visar för första gången kopplingen mellan en organisms livscykel och hur deras celler delar sig.
Trots att de senast delade en gemensam förfader för över en miljard år sedan, är djur och svampar lika på många sätt. Båda tillhör en bredare grupp som kallas "eukaryoter" - organismer vars celler lagrar sitt genetiska material inuti ett slutet fack som kallas "kärnan". De två skiljer sig dock åt i hur de utför många fysiologiska processer, inklusive den vanligaste typen av celldelning – mitos.
De flesta djurceller genomgår "öppen" mitos, där kärnhöljet - det tvåskiktiga membranet som skiljer kärnan från resten av cellen - bryts ner när celldelningen börjar. De flesta svampar använder dock en annan form av celldelning – kallad "sluten" mitos – där kärnhöljet förblir intakt under hela delningsprocessen.
Mycket lite är känt om varför eller hur dessa två distinkta celldelningssätt utvecklades och vilka faktorer som avgör vilket läge som till övervägande del skulle följas av en viss art.
Denna fråga fångade uppmärksamheten hos forskare i Dey-gruppen vid EMBL Heidelberg, som undersöker det evolutionära ursprunget till kärnan och celldelningen.
"Genom att studera mångfald mellan organismer och rekonstruera hur saker utvecklades kan vi börja fråga om det finns universella regler som ligger till grund för hur sådana grundläggande biologiska processer fungerar", säger Gautam Dey, gruppledare på EMBL Heidelberg.
Under 2020, under covid-19-låsningen, växte en oväntad väg att besvara denna fråga ur diskussioner mellan Deys grupp och Omaya Dudins team vid det schweiziska federala tekniska institutet (EPFL), Lausanne. Dudin är expert på en ovanlig grupp marina protister — Ichthyosporea. Ichthyosporea är nära släkt med både svampar och djur, med olika arter som ligger närmare den ena eller andra gruppen på det evolutionära släktträdet.
Dey- och Dudin-grupperna, i samarbete med Yannick Schwabs grupp vid EMBL Heidelberg, bestämde sig för att undersöka ursprunget till öppen och sluten mitos med hjälp av Ichthyosporea som modell. Intressant nog fann forskarna att vissa arter av Ichthyosporea genomgår sluten mitos medan andra genomgår öppen mitos. Genom att jämföra och kontrastera deras biologi kunde de därför få insikter i hur organismer anpassar sig till och använder dessa två celldelningssätt.
Hiral Shah, en EIPOD-stipendiat som arbetar i de tre grupperna, ledde studien. "Efter att mycket tidigt ha insett att Ichthyosporea, med sina många kärnor och viktiga evolutionära positioner mellan djur och svampar, var väl lämpade för att ta itu med denna fråga, var det klart att detta skulle kräva att sammanföra den cellbiologiska och tekniska expertisen hos Dey, Dudin , och Schwab-grupper, och det här är precis vad EIPOD-gemenskapen tillät mig att göra," sa Shah.
Efter att noggrant undersöka mekanismerna för celldelning i två arter av Ichthyosporeans, fann forskarna att en art, S. arctica, gynnar sluten mitos, liknande svampar. S. arctica har också en livscykel med ett flerkärnigt stadium, där många kärnor finns inom samma cell – en annan egenskap som delas med många svamparter såväl som de embryonala stadierna hos vissa djur, såsom fruktflugor.
En annan art, C. perkinsii, visade sig vara mycket mer djurlik och förlitade sig på öppen mitos. Dess livscykel involverar i första hand mononukleära stadier, där varje cell har en enda kärna.
"Våra fynd ledde till den viktigaste slutsatsen att sättet som djurceller gör mitos utvecklades hundratals miljoner år innan djur gjorde det. Arbetet har därför direkta implikationer för vår allmänna förståelse av hur eukaryota celldelningsmekanismer utvecklas och diversifieras i ett mångsidigt liv. cyklar och ger en nyckelbit i pusslet för djurens ursprung", sa Dey.
Studien kombinerade expertis inom jämförande fylogenetik, elektronmikroskopi (från Schwab-gruppen och elektronmikroskopi-kärnanläggningen (EMCF) vid EMBL Heidelberg), och ultrastrukturexpansionsmikroskopi, en teknik som innebär att biologiska prover bäddas in i en transparent gel och att den fysiskt expanderas.
Dessutom tillhandahöll Eelco Tromer, från University of Groningen i Nederländerna, och Iva Tolic, från Ruđer Bošković-institutet i Zagreb, Kroatien, expertis inom jämförande genomik och mitotisk spindelgeometri respektive biofysik.
"Första gången vi såg en expanderad S. arctica-kärna visste vi att den här tekniken skulle förändra sättet vi studerar cellbiologin hos icke-modellorganismer", säger Shah, som återförde tekniken för expansionsmikroskopi till EMBL Heidelberg efter ett besök på Dudin-labbet.
Dey håller med, "Ett nyckelgenombrott i denna studie kom med vår tillämpning av ultrastrukturexpansionsmikroskopi (U-ExM) för analys av det ichthyosporean cytoskelettet. Utan U-ExM fungerar inte immunfluorescens och de flesta färgämnesmärkningsprotokoll i denna understuderade grupp av marina holozoer."
Denna studie visar också vikten av att gå bortom traditionell modellorganismforskning när man försöker svara på breda biologiska frågor, och de potentiella insikter som ytterligare forskning om Ichthyosporean-system kan avslöja.
"Ichthyosporean utveckling visar anmärkningsvärd mångfald," sade Dudin. "Å ena sidan uppvisar flera arter utvecklingsmönster som liknar dem hos tidiga insektsembryon, med flerkärniga stadier och synkroniserad cellularisering.
"Å andra sidan genomgår C. perkinsii klyvningsdelning, symmetribrytning och bildar flercelliga kolonier med distinkta celltyper, liknande den 'kanoniska synen' på tidiga djurembryon. Denna mångfald hjälper inte bara till att förstå vägen till djur utan också erbjuder en fascinerande möjlighet för jämförande embryologi utanför djur, vilket i sig är väldigt spännande."
Projektets inneboende tvärvetenskaplighet fungerade inte bara som en bra testbädd för denna typ av forskningssamarbete utan också för den unika postdoktorala utbildningen som erbjuds vid EMBL.
"Hirals projekt illustrerar på ett bra sätt fördelen med EIPOD-programmet:ett verkligt tvärvetenskapligt projekt, som kombinerar innovativ biologi med avancerade metoder, som alla bidrar till en verkligt spektakulär personlig utveckling", säger Schwab. "Vi (som mentorer) bevittnade födelsen av en stark vetenskapsman, och det här är verkligen givande."
Grupperna Dey, Dudin och Schwab samarbetar för närvarande också i PlanExM-projektet, en del av TREC-expeditionen – ett EMBL-ledd initiativ för att utforska och prova den biologiska mångfalden längs europeiska kuster. PlanExM syftar till att tillämpa expansionsmikroskopi för att studera den ultrastrukturella mångfalden av marina protister direkt i miljöprover.
"Projektet växte fram ur insikten att U-ExM kommer att bli en spelväxlare för protistologi och marin mikrobiologi," sa Dey. Med detta projekt, liksom andra som för närvarande pågår, hoppas forskargruppen kunna kasta ytterligare ljus över mångfalden av livet på jorden och utvecklingen av de grundläggande biologiska processerna.
Mer information: Gautam Dey, Livscykelkopplad utveckling av mitos i nära släktingar till djur, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07430-z. www.nature.com/articles/s41586-024-07430-z
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av European Molecular Biology Laboratory
