Wetenschap
Onderzoek naar diversiteit in celdeling:Studie onderzoekt het evolutieproces dat diverse levenscycli ondersteunt
Nieuw onderzoek door EMBL-wetenschappers laat zien hoe verschillende vormen van celdeling die door dieren en schimmels worden gebruikt, zich mogelijk hebben ontwikkeld om diverse levenscycli te ondersteunen.
Celdeling is een van de meest fundamentele levensprocessen. Van bacteriën tot blauwe vinvissen:elk levend wezen op aarde is afhankelijk van celdeling voor groei, voortplanting en het voortbestaan van soorten. Toch bestaat er een opmerkelijke diversiteit in de manier waarop verschillende organismen dit universele proces uitvoeren.
Een nieuwe studie van de Dey-groep van EMBL Heidelberg en hun medewerkers, onlangs gepubliceerd in Nature , onderzoekt hoe verschillende vormen van celdeling zich ontwikkelden in nauwe verwanten van schimmels en dieren, en toont voor het eerst het verband aan tussen de levenscyclus van een organisme en de manier waarop hun cellen zich delen.
Ondanks dat ze meer dan een miljard jaar geleden voor het laatst een gemeenschappelijke voorouder deelden, lijken dieren en schimmels in veel opzichten op elkaar. Beiden behoren tot een bredere groep die 'eukaryoten' wordt genoemd:organismen waarvan de cellen hun genetisch materiaal opslaan in een gesloten compartiment dat de 'kern' wordt genoemd. De twee verschillen echter in de manier waarop ze veel fysiologische processen uitvoeren, waaronder het meest voorkomende type celdeling:mitose.
De meeste dierlijke cellen ondergaan een ‘open’ mitose, waarbij de nucleaire envelop – het tweelaagse membraan dat de kern scheidt van de rest van de cel – afbreekt wanneer de celdeling begint. De meeste schimmels gebruiken echter een andere vorm van celdeling, de zogenaamde 'gesloten' mitose, waarbij de nucleaire envelop tijdens het delingsproces intact blijft.
Er is zeer weinig bekend over waarom en hoe deze twee verschillende manieren van celdeling zich ontwikkelden en welke factoren bepalen welke manier voornamelijk door een bepaalde soort gevolgd zou worden.
Deze vraag trok de aandacht van wetenschappers van de Dey Group van EMBL Heidelberg, die de evolutionaire oorsprong van de kern- en celdeling onderzoeken.
"Door de diversiteit tussen organismen te bestuderen en te reconstrueren hoe dingen evolueerden, kunnen we ons afvragen of er universele regels zijn die ten grondslag liggen aan de manier waarop dergelijke fundamentele biologische processen werken", zegt Gautam Dey, groepsleider bij EMBL Heidelberg.
In 2020, tijdens de COVID-19-lockdown, ontstond er een onverwachte manier om deze vraag te beantwoorden uit discussies tussen Dey's groep en het team van Omaya Dudin bij het Swiss Federal Institute of Technology (EPFL), Lausanne. Dudin is een expert op het gebied van een bijzondere groep mariene protisten:Ichthyosporea. Ichthyosporea zijn nauw verwant aan zowel schimmels als dieren, waarbij verschillende soorten dichter bij de ene of de andere groep in de evolutionaire stamboom liggen.
De groepen Dey en Dudin besloten, in samenwerking met de groep van Yannick Schwab bij EMBL Heidelberg, de oorsprong van open en gesloten mitose te onderzoeken met behulp van Ichthyosporea als model. Interessant genoeg ontdekten de onderzoekers dat bepaalde soorten Ichthyosporea een gesloten mitose ondergaan, terwijl andere een open mitose ondergaan. Door hun biologie te vergelijken en te contrasteren, konden ze daarom inzicht krijgen in hoe organismen zich aanpassen aan deze twee celdelingsmodi en deze gebruiken.
Hiral Shah, een EIPOD-fellow die bij de drie groepen werkte, leidde het onderzoek. ‘Na al heel vroeg te hebben onderkend dat Ichthyosporea, met hun vele kernen en belangrijke evolutionaire positie tussen dier en schimmels, zeer geschikt waren om deze vraag te beantwoorden, was het duidelijk dat dit het samenbrengen van de celbiologische en technische expertise van de Dey, Dudin zou vereisen. , en Schwab-groepen, en dit is precies wat de EIPOD-beurs mij toestond te doen", zei Shah.
Bij het nauwkeurig onderzoeken van de mechanismen van celdeling bij twee soorten Ichthyosporeanen, ontdekten de onderzoekers dat één soort, S. arctica, de voorkeur geeft aan gesloten mitose, vergelijkbaar met schimmels. S. arctica heeft ook een levenscyclus met een meerkernig stadium, waarin veel kernen binnen dezelfde cel voorkomen – een ander kenmerk dat wordt gedeeld met veel schimmelsoorten en met de embryonale stadia van bepaalde dieren, zoals fruitvliegjes.
Een andere soort, C. perkinsii, bleek veel dierlijker te zijn en vertrouwde op open mitose. De levenscyclus omvat voornamelijk mononucleaire stadia, waarbij elke cel één enkele kern heeft.
"Onze bevindingen leidden tot de belangrijkste gevolgtrekking dat de manier waarop dierlijke cellen mitose uitvoeren, honderden miljoenen jaren vóór dieren evolueerde. Het werk heeft daarom directe implicaties voor ons algemene begrip van hoe eukaryotische celdelingsmechanismen evolueren en diversifiëren in de context van divers leven." cycli, en vormt een belangrijk stukje van de puzzel over de oorsprong van dieren", aldus Dey.
De studie combineerde expertise op het gebied van vergelijkende fylogenetica, elektronenmicroscopie (van de Schwab Group en de elektronenmicroscopiekernfaciliteit (EMCF) bij EMBL Heidelberg) en ultrastructuurexpansiemicroscopie, een techniek waarbij biologische monsters in een transparante gel worden ingebed en fysiek worden uitgebreid.
Daarnaast hebben Eelco Tromer, van de Universiteit van Groningen in Nederland, en Iva Tolic, van het Ruđer Bošković Instituut in Zagreb, Kroatië, expertise geleverd op het gebied van respectievelijk vergelijkende genomica en mitotische spilgeometrie en biofysica.
"De eerste keer dat we een uitgebreide S. arctica-kern zagen, wisten we dat deze techniek de manier zou veranderen waarop we de celbiologie van niet-modelorganismen bestuderen", zegt Shah, die de expansiemicroscopietechniek terugbracht naar EMBL Heidelberg na een periode bij het Dudin-lab.
Dey is het ermee eens:"Een belangrijke doorbraak in deze studie kwam met onze toepassing van ultrastructuurexpansiemicroscopie (U-ExM) op de analyse van het ichthyosporean cytoskelet. Zonder U-ExM werken immunofluorescentie en de meeste protocollen voor kleurstoflabeling niet in deze onderbelichte groep van mariene holozoën."
Deze studie toont ook aan hoe belangrijk het is om verder te gaan dan traditioneel onderzoek naar modelorganismen bij het beantwoorden van brede biologische vragen, en de potentiële inzichten die verder onderzoek naar Ichthyosporische systemen zou kunnen onthullen.
"De ontwikkeling van Ichthyosporean vertoont een opmerkelijke diversiteit", zei Dudin. "Aan de ene kant vertonen verschillende soorten ontwikkelingspatronen die vergelijkbaar zijn met die van vroege insectenembryo's, met meerkernige stadia en gesynchroniseerde cellulaire vorming.
“Aan de andere kant ondergaat C. perkinsii splijtingsdeling, symmetrieverbreking en vormt meercellige kolonies met verschillende celtypen, vergelijkbaar met de ‘canonieke visie’ van vroege dierlijke embryo’s. Deze diversiteit helpt niet alleen bij het begrijpen van het pad naar dieren, maar ook biedt een fascinerende mogelijkheid voor vergelijkende embryologie buiten dieren, wat op zichzelf heel spannend is."
De inherente interdisciplinariteit van het project diende niet alleen als een goede proeftuin voor dit soort collaboratief onderzoek, maar ook voor de unieke postdoctorale opleiding die EMBL biedt.
"Hiral's project illustreert mooi de deugd van het EIPOD-programma:een werkelijk interdisciplinair project, dat innovatieve biologie bundelt met geavanceerde methoden, die allemaal bijdragen aan een werkelijk spectaculaire persoonlijke ontwikkeling", aldus Schwab. "Wij (als mentoren) zijn getuige geweest van de geboorte van een sterke wetenschapper, en dit is echt de moeite waard."
De groepen Dey, Dudin en Schwab werken momenteel ook samen aan het PlanExM-project, onderdeel van de TREC-expeditie – een door EMBL geleid initiatief om de biodiversiteit langs de Europese kusten te verkennen en te bemonsteren. PlanExM heeft tot doel expansiemicroscopie toe te passen om de ultrastructurele diversiteit van mariene protisten rechtstreeks in omgevingsmonsters te bestuderen.
"Het project is ontstaan uit het besef dat U-ExM een game-changer gaat worden voor protistologie en mariene microbiologie", aldus Dey. Met dit project, en met andere projecten die momenteel lopen, hoopt het onderzoeksteam verder licht te werpen op de diversiteit van het leven op aarde en de evolutie van de fundamentele biologische processen.