تقدم الأبحاث التي أجريت على جلكيات البحر نظرة ثاقبة على تطور الفقاريات، وتسلط الضوء على أوجه التشابه في شبكات جينات الخلايا الجذعية مع الفقاريات الفكية وتشرح الاختلافات في تكوين الفك. الائتمان: T. لورانس، هيئة مصايد الأسماك في منطقة البحيرات الكبرى
هذه الأسماك الغازية الماصة للدماء “قد تحمل المفتاح لفهم من أين أتينا”.
واحد من اثنين فقط بدون فك الفقارياتكما تساعد جلكيات البحر، التي تسبب أضرارًا كبيرة لمصايد الأسماك في الغرب الأوسط، العلماء على فهم أصول خليتين جذعيتين مهمتين لعبتا أدوارًا رئيسية في تطور الفقاريات.
جامعة نورث وسترن حدد علماء الأحياء متى يمكن أن تكون الشبكة الجينية التي تنظم هذه الخلايا الجذعية قد تطورت، وبالتالي كانوا قادرين على فهم أفضل لما يمكن أن يكون مسؤولاً عن غياب الفك السفلي في جلكيات.
إن نوعي الخلايا – الخلايا الأريمة متعددة القدرات (أو الخلايا الجذعية الجنينية) وخلايا العرف العصبي – كلاهما “متعددة القدرات”، مما يعني أنهما يمكن أن يصبحا جميع أنواع الخلايا الأخرى في الجسم.
في دراسة جديدة، قارن الباحثون جينات لامبري مع جينات Xenopus، وهو ضفدع فكي مائي. وباستخدام النسخ المقارنة، كشفت الدراسة عن شبكة جينات متعددة القدرات متشابهة بشكل لافت للنظر في الفقاريات عديمة الفك، حتى على مستوى وفرة النسخ للعوامل التنظيمية الرئيسية.
الاختلافات في التعبير الجيني
لكن الباحثين اكتشفوا أيضًا فرقًا رئيسيًا. بينما كلاهما صِنف“تعبر الخلايا الأريمة عن الجين pou5، وهو منظم رئيسي للخلايا الجذعية، ولكن لا يتم التعبير عن هذا الجين في الخلايا الجذعية لامبري العصبية. قد يكون فقدان هذا العامل قد حد من قدرة خلايا العرف العصبي على تكوين أنواع الخلايا الموجودة في الفقاريات الفكية (الحيوانات ذات العمود الفقري) التي تشكل الهيكل العظمي للرأس والفك.
وقد نشرت الدراسة مؤخرا في المجلة بيئة الطبيعة والتطور.
من خلال مقارنة بيولوجيا الفقاريات عديمة الفك والفقاريات، يمكن للباحثين أن يفهموا بشكل أفضل الأصول التطورية للخصائص التي تحدد الحيوانات الفقارية، بما في ذلك البشر، وكيف تساهم الاختلافات في التعبير الجيني في الاختلافات الرئيسية في خطة الجسم وكيف يبدو السلف المشترك لجميع الفقاريات. .
وقالت كارول لابون من جامعة نورث وسترن، التي قادت الدراسة: “قد تكون الجلكيات هي المفتاح لفهم أصلنا”. “في علم الأحياء التطوري، إذا كنت تريد أن تفهم أصل إحدى الخصائص، فلا يمكنك أن تتوقع فقاريات أكثر تعقيدًا تطورت بشكل مستقل على مدى 500 مليون سنة. عليك أن تعود إلى النسخة الأكثر بدائية لنوع الحيوان الذي تدرسه، وهو ما يعيدنا إلى أسماك الجريث والجلكي، وهي آخر الأمثلة الحية للفقاريات عديمة الفك. »
لابون خبير في علم الأحياء التطوري، وهو أستاذ العلوم البيولوجية الجزيئية في كلية واينبرغ للفنون والعلوم. وهي تشغل كرسي إيراستوس أوتيس هافن وتعمل في قيادة معهد سيمونز الوطني الجديد للنظرية البيولوجية والرياضيات التابع لمؤسسة العلوم الوطنية (NSF).
سبق لابون وزملاؤه أن أثبتوا أن الأصل التطوري لخلايا العرف العصبي يرتبط بصيانة الشبكة التنظيمية الجينية التي تتحكم في تعدد القدرات في الخلايا الجذعية الأريمة. وفي الدراسة الجديدة، استكشفوا الأصل التطوري للروابط بين هاتين المجموعتين من الخلايا الجذعية.
أهمية خلايا القمة العصبية
وقال لابون: “إن الخلايا الجذعية ذات القمة العصبية تشبه مجموعة ليغو المتطورة”. “إنها تصبح أنواعًا مختلفة جدًا من الخلايا، بما في ذلك الخلايا العصبية والعضلات، وما تشترك فيه جميع أنواع الخلايا هذه هو الأصل التنموي المشترك داخل القمة العصبية. »
في حين أن الخلايا الجذعية الجنينية في مرحلة الأريمة تفقد تعدد القدرات وتصبح محصورة في أنواع مختلفة من الخلايا بسرعة نسبية مع نمو الجنين، فإن خلايا العرف العصبي تحتفظ بصندوق الأدوات الجزيئي الذي يتحكم في تعدد القدرات لاحقًا في التطور.
اكتشف فريق لابون شبكة تعدد القدرات سليمة تمامًا في خلايا لامبري الأريمة، وهي خلايا جذعية كان دورها في الفقاريات عديمة الفك سؤالًا مفتوحًا حتى الآن. وهذا يعني أن مجموعات الخلايا الجذعية الأريمة والعصبية للفقاريات الفكية وعديمة الفك تطورت معًا عند قاعدة الفقاريات.
لاحظ جوشوا يورك، باحث ما بعد الدكتوراه والمؤلف الأول من جامعة نورث وسترن، “أوجه تشابه أكثر من الاختلافات” بين الجلكى والقطم.
وقال يورك: “بينما يتم التعبير عن معظم الجينات التي تتحكم في تعدد القدرات في العرف العصبي لامبري، فقد فقد التعبير عن أحد هذه الجينات الرئيسية – pou5 – في هذه الخلايا”. “من المثير للدهشة أنه على الرغم من عدم التعبير عن pou5 في القمة العصبية لامبري، إلا أنه يمكن أن يعزز تكوين القمة العصبية عندما عبرنا عنها في الضفادع، مما يشير إلى أن هذا الجين هو جزء من شبكة قديمة من تعدد القدرات التي كانت موجودة في أسلافنا الفقاريات الأوائل. »
وساعدتهم التجربة أيضًا على افتراض أن الجين قد فُقد على وجه التحديد في بعض الكائنات، وليس شيئًا طورته الفقاريات الفكية لاحقًا.
وقال لابون: “من النتائج الرائعة الأخرى التي توصلت إليها الدراسة أنه على الرغم من أن هذه الحيوانات يفصل بينها 500 مليون سنة من التطور، إلا أن هناك قيودًا صارمة على مستويات التعبير الجيني اللازمة لتعزيز القدرة المتعددة”. “السؤال الكبير الذي لم تتم الإجابة عليه هو: لماذا؟ »
مرجع: “السمات المشتركة للخلايا الجذعية الأريمة والخلايا الجذعية العصبية المتطورة في قاعدة الفقاريات” بقلم جوشوا آر. يورك، وأنجالي راو، وبول بي. هوبر، وإليزابيث إن. شوك، وأندرو مونتكين، وسارة ريجني، وكارول لابون، 26 يوليو 2024, بيئة الطبيعة والتطور.
دوى: 10.1038/s41559-024-02476-8
تم تمويل الوثيقة من قبل المعاهد الوطنية للصحة (منح R01GM116538 وF32DE029113)، وجبهة الخلاص الوطني (منحة 1764421)، ومؤسسة سيمونز (منحة SFARI 597491-RWC)، ومؤسسة والدر من خلال مؤسسة أبحاث علوم الحياة. الدراسة مخصصة لذكرى الدكتور جوزيف والدر.
