Atklājumi.lv

Plakantārps apgāž bioloģijas likumu: šūnas var dalīties bez centrosomas

ASV zinātnieki, pētot plakantārpu Schmidtea mediterranea, atklāja, ka šiem primitīvajiem dzīvniekiem, kuri pazīstami ar savu apbrīnojamo reģenerācijas spēju nav šūnas organoīda - centrosomas, - kas līdz šim tika uzskatīts kā obligāta visu dzīvnieku un zemāko augu šūnu sastāvdaļa.

Centrosoma atrodas visās līdz šim pētīto dzīvnieku - no cilvēka līdz vienšūņiem - šūnās. Tā ir labi saskatāma gaismas mikroskopā un jau 1875.gadā centrosomu atklāja neitrofilo granulocītu centrā. Centrosoma sastāv no divām cilindrveidīgām centriolām, kuru sieniņas veido 9 polimerizēta tubulīna mikrocaurulīšu grupas. Katrā grupā ir 3 mikrocaurulītes (1). Centriolas ietver vienveidīgs citoplazmas slānis, kurā ietilpst vairāki simti specifisku olbaltumvielu.

Centriolu galvenā funkcija ir mitotiskās šūnu dalīšanās laikā duplicēto hromosomu pusīšu vienāda sadalīšana meitas šūnās.

Vispirms no mikrocaurulītēm veidojas staraina sfēra. Pēc tam centriolas pārvietojas uz šūnu poliem un starp tām veidojas dalīšanās vārpsta, pie kuras velkošajiem pavedieniem piestiprinās hromosomas. Gadījumā, ja hromosomas meitas šūnās netiek sadalītas vienādi, organismā var sākties deģeneratīvs vai ļaundabīgs process. Tā piemēram, viena no raksturīgākajām vēža pazīmēm ir nevienāda šūnu dalīšanās, ko parasti izraisa centrosomu formas izmaiņas vai vairāku centrosomu izveidošanās šūnā. Arī daudzas iedzimtas psihiskas saslimšanas (piem. Dauna sindroms) izraisa trūkstošas, pārāk daudzas jeb nepareizi sapārotas hromosomas šūnā.

Šeit jāatzīmē, ka zināmā posmā peļu agrīnajā embrioģenēzē, kā arī drozofilas vēlākā attīstībā šūnu dalīšanās notiek bez centrosomu līdzdalības.

Lai arī centrosomas molekulārā uzbūve pēdējos gados tikusi intensīvi pētīta (2), īpaši cilvēkiem un augļu mušiņām drozofilām, tomēr daudzu tās sastāvdaļu funkcijas nav zināmas. Pētījumus sarežģī fakts, ka centriolas pilda vairākus uzdevumus - līdzās centrosomu centrālās daļas veidošanai, šūnas kodola pozicionēšanai tās kalpo kā šūnu skropstiņu un vicu (izaugumi šūnas membrānā) pamatnes ķermeņi. Šūnu skropstiņas un vicas organismā nodrošina gan šūnu kustību, gan starpšūnu šķidrumu apmaiņu, gan sensorās un starpšūnu signālu nodošanas funkcijas. Skaidrs, ka arī šajā gadījumā, līdzīgi kā hromosomu sadalījumā, nepareiza vai nepilnīga centriolu novietošanās skropstiņu pamatnē izsauc virkni saslimšanu. Tas viss molekulārajiem biologiem un ģenētiķiem rada interesi sīkāk izpētīt centrosomu nozīmi un funkcijas šūnā. Saprotamu iemeslu dēļ nav iespējams tieši pētīt centrosomu darbību cilvēku šūnās, izmantojot eksperimentālas metodes. Tam nepieciešami kādi salīdzinoši vienkārši, taču tai pašā laikā ar cilvēkiem molekulāri salīdzināmi organismi.

Viens no šobrīd iecienītākajiem bioloģiskās attīstības un reģenerācijas pētījumu modeļorganismiem, tā unikālo atjaunošanās spēju dēļ (3), kā arī diploidālā hromosomu skaita dēļ (4) ir saldūdens plakantārpi planārijas Schmidtea mediterranea. ASV zinātnieku grupa Kalifornijas universitātes Sanfranciskas Bioķīmijas un biofizikas nodaļas speciālistes Džuljeta Azimzade (Juliette Azimzadeh) un asociētā profesora Dr.Vollesa Māršala vadībā vēlējās noskaidrot, kāda ir centriolu nozīme planāriju reģenerācijā, kā arī, ņemot vērā, ka planārijas pārvietojas ar ķermeņa apakšdaļā esošu skropstiņu kustību spēku, to, kā centriolas sakārtojas šūnās ar vairākām skropstiņām.

Pētnieki planārijām (5) nobloķēja centriolu veidošanai nepieciešamos proteīnus kodējošos homologos gēnus (6), kuru darbība bija izpētīta citos dzīvniekos. Rezultātā 100% modificēto dzīvnieku bija vērojami kustību traucējumi, bet, izpētot to vēderpuses epitēliju, izrādījās, ka uz tā nav izveidojusies tikpat kā neviena skropstiņa. Šāds eksperimenta iznākums tika sagaidīts un nesagādāja nekādus pārsteigumus. Pētniekus turpretī izbrīnīja fakts, ka planārijas ar izslēgtu centriolu veidošanās mehānismu joprojām spēja atjaunoties tikpat veiksmīgi kā kontrolgrupas dzīvnieki. Pēc iepriekšējiem pētījumiem bija zināms, ka planāriju reģenerācija notiek daloties cilmes šūnām, bet, nobloķējot dalīšanās ciklam svarīgu proteīnu, plakantārpu atjaunošanās nenotiek. Novērojums liecināja, ka, pretēji zināmajam par šūnas dalīšanos citiem dzīvniekiem, Schmidtea mediterranea šim uzdevumam nav nepieciešamas centriolas (7). Zinātnieki, izmantojot gan imūnfluorescenci, gan elektronu mikrogrāfiju, centās atrast centriolas planāriju šūnās, kurām nav skropstiņveida izaugumi. To tur nebija.

Izpētot planāriju genomu noskaidrojās, ka evolūcijas gaitā šie plakantārpi ir atteikušies no centrosomām, paturot, toties, skropstiņu veidošanai nepieciešamās centriolas. Zinātnieki noteica, ka planāriju un cilvēku kopējam sencim centrosomas ir bijušas - abu sugu genomos ir saglabājušies vairāki centrosomu veidošanai nepieciešamo gēnu homologi, kamēr planārijām iztrūkst tieši tie proteīni, bez kuriem nav iespējama centrosomu dalīšanās. Iespējams, teikts pētījuma publikācijā "Science," planārijām zuda nepieciešamība pēc centrosomām, kad tās evolūcijas gaitā mainīja agrīno embrionālo šūnu - blastomēru - dalīšanās orientāciju. Ja sākotnēji, plakantārpu evolūcijas agrīnajā posmā planāriju senčiem, tāpat kā citiem spirālveidīgo virstipa dzīvniekiem tā bijusi spirālveida, tad vēlāk, nezināmu apstākļu ietekmē, planāriju blastomēras sāka dalīties bez noteiktas orientācijas.

Šis atklājums, pētnieki raksta, liek pārvērtēt centrosomas sākotnējo lomu šūnā, kuras svarīguma dēļ organoīds evolūcijas gaitā saglabājies. Iespējams, vispirms tās uzdevums bijis embrionālās attīstības koordinācija, kam tikai vēlāk pievienojusies hromosomu sadalīšana pa meitasšūnām. Tāpat iespējams, ka centrosomām ir vēl kāda, pagaidām neatklāta funkcija šūnā.

Avots:

Juliette Azimzadeh, Mei Lie Wong, Diane Miller Downhour, Alejandro Sánchez Alvarado,Wallace F. Marshall. Centrosome Loss in the Evolution of Planarians // ScienceExpress. Published Online January 5 2012.

http://www.sciencemag.org

Paskaidrojumi un piezīmes:

(1) Dažiem dzīvniekiem centriolā konstatēts cits mikrocaurulīšu skaits.

(2) Müller H., Schmidt D., Steinbrink S., Mirgorodskaya E., Lehmann V., Habermann K., Dreher F., Gustavsson N., Kessler T., Lehrach H., Herwig R., Gobom J., Ploubidou A., Boutros M., Lange B.M.H.: Proteomic and functional analysis of the Drosophila centrosome. EMBO Journal, online publication 03.09.2010, doi:10.1038/emboj.2010.210.

(3) Schmidtea mediterranea vairojas daloties uz pusēm. Arī gareniski vai šķērseniski uz pusēm pārgrieztas Schmidtea mediterranea atjaunojas, kļūstot par diviem pilnvērtīgiem organismiem. Eksperimentāli izdevies noteikt, ka mazākā šīs planārijas ķermeņa daļa, kas spēj atjaunoties ir 1/279 daļa no vesela īpatņa. Tas atbilst aptuveni 10 000 šūnām. Schmidtea mediterranea atjaunojas epimorfiski - amputācijas vietā izveidojas cilmes šūnu kopums - blastēma, kas daloties izveido trūkstošo ķermeņa daļu/-as (orgānu/-us). Pats interesantākais ir tas, ka planārijām atjaunošanos nodrošina pluripotentas cilmes šūnas, sauktas par klonogēniem neoblastiem. Kā eksperimentāli 2011. g. noteica Vaitheda biomedicīnas pētījumu institūta speciālisti, lai notiktu planārijas reģenerācija, vajadzīga tikai viena pluripotentā cilmes šūna.

(4) Šūnas, kurās ir divas homologas visu hromosomu kopijas, parasti viena no mātes, otra no tēva, sauc par diploidālām. Gandrīz visi zīdītāji, cilvēku ieskaitot, ir diploidāli organismi.

(5) Aplūkojamo "Science" rakstu izlasot, nav īsti skaidrs, ko autori domājuši ar apzīmējumu "planārijas" un cik plaši var piemērot vienu konkrētu sugu - Schmidtea mediterranea - izpētot iegūtos rezultātus par centrosomu trūkumu. Problēmu rada neviennozīmīgais planāriju taksonomiskais traktējums. Tā, atbilstoši wikipaedia ziņām, par planārijām dēvē gan visu skropstiņtārpu klasi ar aptuveni 4500 sugām, gan Tricladida kārtu, gan arī tajā ietilpstošu Planariidae dzimtu jeb pat Planariidae ģinti Planaria. Taču šajā gadījumā ļoti iespējams, ka ar planārijām jāsaprot tikai Tricladida kārtas Dugesiidae dzimtas Schmidtea ģints. Vai, varbūt, tikai un vienīgi Schmidtea mediterranea suga?

(6) Dažādu organismu gēni ar līdzīgām sekvencēm un funkcijām, kas mantoti no kopējā senča DNS.

(7) Centrosomu veidošanai nepieciešamie proteīni netika atrasti arī parazītiskā plakantārpa Schistosoma mansoni centrosfērā.

Literatūra:
http://www.geneticsofpregnancy.com
http://www.geochembio.com
http://www.sciencedaily.com