Netopýři jsou jedinými savci schopnými skutečného letu, přesto se jejich křídla vyvinula ze stejné základní pětimístné struktury končetin, která se nachází u všech savců. Jak tedy mohou létat sami?
„Zpočátku, když vědci začali porovnávat zvířata, mysleli jsme si, že velké anatomické rozdíly musí pocházet z velkých rozdílů v DNA,“ Christian Feregrino, hlavní spoluautor nového studie Publikováno v Ekologie a evoluce přírody to zjistilo, jak.
„Ale protože bylo sekvenováno více genomů, uvědomili jsme si, že savci sdílejí většinu stejných genů. Embrya také vypadají velmi, velmi podobně v raných stádiích – nemůžete říct netopýr z myši nebo dokonce delfína. Takže otázka se stala: Jak se stejné geny, počínaje stejným plánem, vytvářejí takové odlišné končetiny?“
„Odpověď spočívá v tom, co vědci nazývají regulační vývoj: změna, kdy, kde a jak jsou geny zapnuty.“
Tajemství Chiropatagium
Savci obvykle mají končetiny, které tvoří paže nebo nohy s pěti prsty nebo prsty. U netopýrů se tyto končetiny postupem času hodně změnily. Číslice (prsty) dva až pět jsou nataženy a spojeny tenkým listem kůže zvanou chiropatagium, která tvoří většinu povrchu křídla pro létání.
Vědci dlouho přemýšleli, jak netopýři udržují tuto pokožku mezi prsty. U jiných savců, jako jsou lidé nebo myši, kůže mezi prsty zmizí před narozením v procesu, kde buňky úmyslně zemřou, nazývané apoptóza. Jednou z hlavních hypotéz je, že netopýři se vyvinuli letem potlačením této interdigitální buněčné smrti, která umožnila pokožce zůstat a tvořit povrch křídla.
Nová studie však namalovala více nuanční obraz.
Pro testování, zda netopýři skutečně potlačili apoptózu ve vyvíjejícím se křídle, vědci postavili „mezidruhové končetinové atlas“ pomocí jednobuněčné RNA sekvenování a další genomické nástroje na více než 180 000 buňkách z embryonální tkáně končetin z netopýrů ((Carollia Persičillata) a myši v různých fázích vývoje.
To jim umožnilo mapovat každou hlavní buněčnou populaci v končetině napříč klíčovými vývojovými fázemi, včetně těch, kteří jsou odpovědní za kostí, svalovou, pojivovou tkáň a kůži, a porovnat výsledky pomocí výpočetních modelů a statistických analýz.
„Očekávali jsme, že najdeme speciální, jedinečné buňky v netopýrech, které tvoří chiropatagium,“ uvedla Magdalena Schindlerová, spoluodejná autorka příspěvku. „Naším prvním velkým překvapením však bylo, že na buněčné úrovni jsou končetiny netopýra a myš téměř identické. Stejné typy buněk se objevují v průběhu vývoje, ať už se končetina stává tlapou nebo křídlem.“
U obou druhů jsou geny spojené s buněčnou smrtí, například Aldh1a2 a BMP2byly aktivní v tkáni mezi prsty, dokonce i v netopýrech, kde přetrvávalo chiropatagium. To znamenalo, že buněčná smrt se stále stala, což zpochybnilo hypotézu, že tkáň křídla je zachována, protože buněčná smrt je inhibována.
Tým hlouběji provedl cílenou jednobuněčnou analýzu samotného chiropatagia pitváním a sekvenováním genetického materiálu v buňkách z této oblasti v embryích netopýrů. Našli specializovanou populaci fibroblastů – buňky pojivové tkáně – přítomné pouze na předních hlavách a mezi prsty.
To znamená, že namísto vymýšlení nového typu buněk evoluce znovu přemýšlela o existujícím, které se u myší normálně nacházejí blíže k rameni. U netopýrů jsou tyto buňky rozmístěny mezi číslicemi, zatímco okolní buňky stále podléhají apoptóze, která vyřezává oddělené prsty.
Tyto fibroblasty vykazovaly vysokou aktivitu dvou transkripčních faktorů, Meis2 a TBX3. U jiných savců jsou tyto geny vypnuty před vytvořením prstů. U netopýrů jsou přepnuty zpět v distální končetině poblíž vyvíjejících se číslic.
„Byli předtím spatřeni při vývoji křídel netopýrů, ale nikdo neznal jejich roli,“ řekl Dr. Schindler. „Naše analýza je nyní spojuje s identitou této specifické fibroblastové populace, což ukazuje, že se jedná o centrální složky genetického programu, který dává těmto buňkám jejich identitu a může ovlivnit, jak je apoptóza regulována.“
Tento druh genetické přesunutí, známý jako evoluční kooptace, umožňuje organismům vytvářet nové struktury pomocí existujících genových programů spíše než vymýšlením nových.
Testování u myší
Mohly by však tyto geny skutečně řídit formaci křídla samy o sobě?
Aby to testovali, vědci vytvořili transgenní myši, aby exprimovali verze genů netopýrů Meis2 a TBX3 V distální končetině a interdigitálních tkáních, kde obvykle mlčí. Použili speciální enhancer DNA, který aktivoval tyto geny ve vyvíjejících se prstech a popruh mezi nimi.
Výsledek: Myší embrya začala růst číslic webbed a tkáň mezi jejich prsty zesílila a strukturovanější, podobně jako časné netopýr. Buňky v popruhu také začaly exprimovat další geny nalezené ve fibroblastech Bat Wing.
Tyto změny nebyly jen molekulární. Když vědci zobrazovali končetiny ve 3D, viděli jasné fyzické rozdíly. Modifikované myši spojily číslice a rozšířily pojivovou tkáň v oblasti ruky, obě značky Bat Chiropatagium.
„S těmito dvěma transkripčními faktory bychom mohli částečně rekapitulovat program budování křídla BAT,“ řekl Dr. Feregrino. „Je to dlouhá cesta od přeměny myši na netopýr, protože let vyžaduje koordinované změny v kostech, svalech, kůži a další. Ale zjištění ukazují, jak silné mohou být tyto regulační posuny.“
Za netopýry
Zatímco vědci se nezaměřovali na lékařské aplikace, zjištění by mohla pomoci porozumět poruchám lidského vývoje. Syndactyly, vrozený stav, kdy prsty zůstávají fúzované, může sdílet mechanismy s tvorbou křídla Bat. Vědět, které geny ovlivňují oddělení číslice, by mohlo pomoci lépe diagnostikovat nebo dokonce léčit takové podmínky.
„Studie také nabízí stopy dalším evolučním hádankám,“ řekl Dr. Feregrino. „Ptačí křídla, rybí ploutve a ploutve velryby mohou všechny následovat podobnou strategii: Začněte univerzálním vývojovým plánem a poté vyladit specifické genetické vytáčení“, abyste vytvořili nové formy. “
„U nástrojů s jedním buňkami očekáváme, že odhalíme mnoho dalších způsobů, jak se evoluce kreativně opakuje staré geny,“ dodal Dr. Schindler.
Manjeera Gowravaram má PhD v biochemii RNA a pracuje jako spisovatel vědy na volné noze.
