كيف أصبحت الحياة متعددة الخلايا؟ خمسة كائنات بسيطة يمكن أن يكون لها الجواب

في جميع الحياة المعروفة ، حدث الانتقال إلى متعدد الخلايا على الأقل 40 مرة.¹. ولكن ، في الحيوانات ، يبدو أنه حدث مرة واحدة فقط.

ابتداءً من أوائل العقد الأول من القرن العشرين ، قام الباحثون المهتمين بهذا الحدث الرائع إلى سلسلة من الاكتشافات غير المتوقعة. رأى الرأي السائد أن طوفان من الجينات كان يجب أن يتطور لتمكين الخصائص الرئيسية للخلايا المتعددة²: قدرة الخلايا على التمسك ببعضها البعض ، والاتصال باستخدام الإشارات الجزيئية والتنظيم المنسق للتعبير الجيني الذي يسبب كل خلية متخصصة واتخاذ موقفها في الكائن الحي. لكن الدراسات وجدت أن بعض الكائنات الحية أحادية الخلية تعبر عن عدد كبير من البروتينات التي تتحكم في خصائص التعددية في الحيوانات^3و4. يبدو أن مجموعة الأدوات الجزيئية المطلوبة للتعددية الخلفية كانت موجودة قبل وقت طويل من ظهور الحيوانات الأولى.

يقول وليام راتكليف ، عالم الأحياء التطوري في معهد جورجيا للتكنولوجيا في أتلانتا: “أعاد هذا العمل كتابة فهمنا لأصول الحيوانات”. “وهذا يجعلنا نطرح أسئلة مختلفة.”

قاد الفريقان وراء الكثير من هذا البحث عالم الأحياء التطوري وعالم الوراثة نيكول كينغ في جامعة كاليفورنيا ، بيركلي ، وعالم الأحياء التطوري إيهاكي رويز تريليو في معهد البيولوجيا التطورية في برشلونة ، إسبانيا. لقد توسعوا منذ ذلك الحين إلى مجتمع صغير من العلماء الذين طوروا أكثر من عشرات هذه الأنواع إلى كائنات نموذجية. كل هذه الأنواع حقيقيات النوى، والتي تختلف عن بدائيات النوى من حيث أن لديهم نواة ، وتنتمي إلى الأنساب مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بالحيوانات: Choanoflagellates ، filastereans ، ichthyosporeans و corallochytreans (انظر “الحيوانات” أحادية الخلايا). العديد من الأنواع النموذجية تتدفق في التعددية من خلال تشكيل المستعمرات من حين لآخر.

جزء من ما يجعل هذه الكائنات المثيرة للاهتمام للغاية هو مدى اختلافها-في المظهر ، مراحل الحياة والمكياج الوراثي-يقول الباحثون. يقدم كل من الكائنات الحية ، خمسة منها هنا ، نظرة خاطفة على المسارات التطورية التي يمكن أن تؤدي إلى الحيوانات. تقول إيلينا كاساكوبيرتا ، عالمة الأحياء الجزيئية ، التي تدير المختبر في برشلونة مع رويز تريلو ، إن النظر إلى العديد من الأنساب لتجميع هذا الحدث أصبح “فلسفة هذا المجتمع العلمي” ، كما تقول عالمة الأحياء الجزيئية إيلينا كاساكوبيرتا ، التي تدير المختبر في برشلونة مع رويز تريلو. “فقط مع نهج مقارن يمكننا أن نحاول الحصول على صورة أكثر دقة.”

النموذج العلوي

Salpingoeca Rosetta كانت من بين الكائنات الحية التي حققتها كينغ في عملها المبكر على تعدد الزيلاني. إنه ينتمي إلى choanoflagellates ، والتي هي أقرب أقارب الحيوانات. تباعدت هذه المجموعة من سلف مشترك مع الحيوانات منذ أكثر من 600 مليون عام.

مثل choanoflagellates الأخرى ، س. روزيتا يحتوي على جسم خلايا كروي يضم طوقًا من نتوءات الغشاء الرفيعة تسمى Microvilli ، والتي تستخدم لالتقاط البكتيريا التي اكتسحت لتناول العشاء بذيل طويل (المعروف باسم سوط). تم عزله في عام 2000 من المسطحات الطينية قبالة ساحل فرجينيا ؛ لم يتمكن الباحثون من العثور عليه مرة أخرى في البرية. في ظل ظروف بيئية معينة ، س. روزيتا تنقسم الخلايا بشكل كليون ، مما ينتج عنه خلايا ابنة متطابقة وراثيا تشكل مستعمرات عن طريق الدوران في نمط وردية ، مع سوط متموجة للخارج. ولكن عندما بدأت كينج العمل مع الكائن الحي في المختبر لأول مرة ، لم تستطع تزويرها من شكلها أحادي الخلايا. كشفت تجربة الفرصة أن الإفرازات التي تسبقها بكتيريا فريسة محددة تعمل كإشارة للخلايا لبدء الانقسام.

“عالم ضائع” من الميكروبات المبكرة ازدهرت منذ مليار عام

بالإضافة إلى تشكيل الورود ، فإن الكائن الحي لديه تشكل واحد على الأقل متعدد الخلايا وبعض أنواع الخلايا المعيشة الحرة المتميزة. عندما تقتصر على مساحة ضيقة ، على سبيل المثال ، س. روزيتا تنسحب الخلايا سوطها وتصبح الأميوي ، تفتقر إلى شكل ثابت وتمديد مخالب رفيعة تسمى Filopodia لسحب نفسها.

يقول ديفيد بوث ، عالم الكيمياء الحيوية بجامعة كاليفورنيا ، سان فرانسيسكو: “إنه له تنوع مدهش استجابةً لعدد لا يحصى من العظة البيئية”.

في عام 2003 ، أبلغ كينغ وزملاؤها عن وجود البروتينات المشاركة في التصاق الخلايا وإشارات الخلية في أنواع تشانوفلاغيلات³. حددوا فيما بعد مجموعة أدوات أكثر تعمقًا لتوصيل الخلايا عند تسلسل الجينوم س. روزيتا⁵.

Salpingoeca Rosetta هو ذبابة الفاكهة من choanoflagellates – الأنواع الأكثر دراسة على نطاق واسع والأنواع التي طور الباحثون أكثر الأدوات شمولاً لتغيير الجينوم مباشرة. في عام 2018 ، خلال مرحلة ما بعد الدكتوراه في مختبر King’s ، تمكن Booth وزملاؤه من إضافة بروتينات الفلورسنت التي تشفر الحمض النووي س. روزيتا⁶ وفي عام 2020 ، وجدت طرقًا لتحرير جينومها باستخدام CRISPR⁷. لقد جعلت هذه الطرق من الممكن العبث مباشرة بالجينات التي يقول الباحثون أنها يمكن أن تكون مفتاح التعددية – ودراسة البروتينات التي تعبر عنها تلك الجينات.

بمساعدة الأدوات ، يستكشف عالم الأحياء الدقيقة أرييل فوزنيكا في جامعة تكساس في أوستن ، طالب دراسات عليا سابق في مختبر كينغ ، كيف يستجيب تشانوفلاجيلات للمهاجمين البكتيريين. يحقق الكيميائي الحيوي فلورنتين روتاجانيرا ، وهو ما بعد الدكتوراه السابقة في مختبر كينغ الآن في جامعة ستانفورد في كاليفورنيا ، في إنزيمات تسمى كيناز التيروزين – linchpins من إشارات الخلية في الحيوانات الموجودة بأعداد مماثلة في س. روزيتا.

المجددي الرئيسي

Capsaspora shepdogs هو عضو في سلالة Filasterean ، التي تباعدت من سلف مشترك مع الحيوانات ربما قبل بضع مائة مليون عام مما فعل Choanoflagellates.

أصبح Ruiz-Trillo مهتمًا أولاً بالكائن الحي كبريد ، تمامًا مثلما كان مختبر King’s Stupt للدراسة س. روزيتا. وجد هو وزملاؤه ذلك C. الراعي، أيضًا ، يبدو أنه يرتبط ارتباطًا وثيقًا بالحيوانات⁴. شرعت Ruiz-Trillo في دراسة الأنساب بخلاف Choanoflagellates ، لأن التحقيق في العديد من الأنساب يمكن أن يوفر صورة أكمل للجد المشترك مع الحيوانات. بعد تسلسل جينوم C. الراعيأبلغ رويز تريلو وفريقه في عام 2013 أنه يحتوي على العديد من الجينات المتعلقة بالخلايا المتعددة ، بما في ذلك البعض الذي يفتقر إليه تشانوفلاجيلات-مثل تلك التي تشفر البروتينات السطحية للخلايا تسمى integrins ، والتي تساعد الخلايا على التمسك ببيئتها وبيئتها⁸.

هذه الأنواع القديمة الغريبة تعيد كتابة تطور الحيوانات

اكتشف في عام 2002 داخل حلزون المياه العذبة ، C. الراعي تقضي معظم دورة حياتها كأميبا أحادي الخلايا ، ولكن يمكن للإشارات البيئية أن تدفع الخلايا إلى مرحلة متعددة الخلايا حيث تجمع المجموعات معًا وتندمج إلى مجاميع كبيرة بشكل متزايد. يختلف هذا المسار إلى متعدد الخلايا عن التجميع من خلال الانقسام النسيلي الذي لوحظ في Choanoflagellates. يقول Ruiz-Trillo أن تقسيم Clonal هو “الطريقة المعتادة التي كان الناس يفكرون في تطورها الحيوانات”.

خلال التنمية في الحيوانات، تنقسم خلية واحدة إلى العديد من الخلايا ذات الجينومات المتطابقة ، وهي عملية ربما تتجنب أي تعارض وراثي ناشئ بين الخلايا. لذلك ، من السهل أن نفترض أن التقسيم النسيلي كان أيضًا المسار التطوري للحيوانات الأولى ، كما يقول رويز تريلو. لكن التجميع موجود في العديد من الأنساب حقيقية النواة كوسيلة سريعة وسهلة للخلايا لتشكيل هياكل ثلاثية الأبعاد ، ويعتقد أن هذه الآلية تستحق نظرة فاحصة.

وجد رويز تريلو وزملاؤه ذلك C. الراعي يستخدم بعض الجينات الرئيسية المتعلقة بالخلايا المتعددة خلال هذه المرحلة المجمعة⁹. ربما كان التجميع هو الخطوة الأساسية في تطور الحيوانات ، كما يقول رويز تريلو ، أو ربما كان جزءًا واحدًا من العملية.

Capsaspora shepdogs هي واحدة من حفنة من الأنواع أحادية الخلايا التي يرسلها Casacuberta و Ruiz-Trillo بسعادة إلى مختبرات أخرى عند الطلب.

الثنائي

الاكتشاف الصدفي في عام 2017 لأنواع أخرى من تشانوفلاجيلات ، Choanoeca Flexa، أثبتت مقدار التباين الموجود في هذه المجموعة وحدها. وجدت Thibaut Brunet ، عالم الأحياء الخلايا التطورية الآن في معهد باستور في باريس ، C. Flexa في كوراساو ، مع زملائه أثناء حضوره ورشة عمل كبريد في مختبر كينغ. بعد جمع عينات المياه من حمامات المد والجزر البحرية الضحلة أثناء قيامه بجولة في الجزيرة ، قام هو وزملاؤه بالضغط في مكان الحادث تحت المجهر.

الخلايا الفردية ، التي تبدو مثلها س. روزيتا الخلايا ، تشكل ورقة أحادية الطبقة مقصورة ، مع كل السوط تشير في نفس الاتجاه¹⁰. استجابة للضوء أو الظلام ، “يمكنهم عكس انحناءهم في بضع ثوان ، ويتقلبون من الداخل إلى الخارج مثل لعبة الطفل أو المظلة” ، كما يقول برونيت. “كنا نصرخ ونقفز لأعلى ولأسفل عندما رأينا ذلك – ربما كنا سخيفة”.

الحياة السرية للخلايا – كما لم يسبق له مثيل من قبل

على الرغم من أن الباحثين ما زالوا يطورون طرقًا لمعالجة جينومه ، C. Flexa لديه فائدة كبيرة واحدة على الأقل ككائن حي. تقول عالمة الأحياء التطورية نوريا روز روتشر ، وهي ما بعد الدكتوراه في مختبر برونيت ، إن الكائنات الحية الأخرى لم تتم دراسة إلا في المختبر بعد اكتشافها. لا يعرف الباحثون كيف أو أين يمكن العثور عليهم مرة أخرى. لكن C. Flexa تم استرجاعها مرارًا وتكرارًا من برك المد والجزر التي تم العثور عليها فيها لأول مرة. يقول Ros-Rocher: “لقد كنا محظوظين للغاية ، لأننا يمكن أن نعود إلى البيئة الطبيعية لفهم كيفية ارتباطها بسلوك الكائن متعدد الخلايا”.

تواجه تلك الأحواض التغيرات في الاصابة – غالبًا ما تسخن المياه وتتبخر في غضون أيام ، تاركًا الكائن الحي على قدميه في ملوحة مرتفعة بشكل حاد أو شاطئية على الوحل المجفف قبل أن يغمر المد مرة أخرى. وجد برونيت وفريقه ذلك C. Flexa، يحب س. روزيتا، يمكن أن تنتقل من حالة أحادية الخلايا إلى تعدد الخلايا من قبل الانقسام النسيلي. ولكن يمكن أن تستخدم التجميع أيضًا ، وأحيانًا يجمع بين كلا الاستراتيجيتين في وقت واحد.