Ένα βιολογικό ρολόι που ανακαλύφθηκε πρόσφατα λειτουργεί ως ο χρονομέτρης της ανάπτυξης του σώματος, συντονίζοντας τις εξάρσεις της γονιδιακής δραστηριότητας που απαιτούνται για την ανάπτυξη.
Οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι όταν αυτό το ρολόι σταματά να λειτουργεί, η ανάπτυξη παγώνει. Φανταστείτε ένα τρένο που βρίσκεται σταματημένο σε έναν σταθμό.
Οι επιβάτες έχουν επιβιβαστεί, οι ελεγκτές ελέγχουν τα εισιτήρια και όλα είναι έτοιμα για την αναχώρηση. Αν όμως το ρολόι του μηχανοδηγού δεν δείξει ποτέ την ώρα αναχώρησης, οι πόρτες παραμένουν ανοιχτές, η σφυρίχτρα δεν ακούγεται ποτέ και το τρένο δεν φεύγει ποτέ από την αποβάθρα.
Ένα παρόμοιο πρόβλημα μπορεί να παρουσιαστεί στο εσωτερικό των ζωντανών οργανισμών όταν ο χρονισμός της ανάπτυξης πάει στραβά. Αντί για την καθυστέρηση ενός ταξιδιού, μια βλάβη στο εσωτερικό χρονοδιάγραμμα του σώματος μπορεί να εμποδίσει τη φυσιολογική ανάπτυξη και την ωρίμανση.
Ερευνητές στο Εργαστήριο Cold Spring Harbor (CSHL) ανακάλυψαν τώρα αυτό που φαίνεται να είναι ένα κεντρικό ρολόι ανάπτυξης στον μικροσκοπικό σκώληκα C. elegans.
Η ανακάλυψη αυτή βοηθά να εξηγηθεί πώς τα κύτταρα γνωρίζουν ακριβώς πότε πρέπει να ενεργοποιήσουν βασικά γενετικά προγράμματα κατά τη διάρκεια της αύξησης και της ανάπτυξης.
Ένα κεντρικό ρολόι για την ανάπτυξη
Προηγούμενη εργασία του καθηγητή του CSHL, Christopher Hammell, και των συνεργατών του είχε δείξει ότι η ανάπτυξη στον C. elegans καθοδηγείται από εξάρσεις, ή παλμούς, γονιδιακής δραστηριότητας. Αυτό που παρέμενε ασαφές ήταν πώς αυτοί οι παλμοί χρονίζονταν με τόσο μεγάλη ακρίβεια.
Η νέα μελέτη αποκαλύπτει ότι δύο πρωτεΐνες, ήδη γνωστές στους επιστήμονες, οι MYRF-1 και LIN-42, σχηματίζουν ένα κύκλωμα ανάδρασης που λειτουργεί ως κεντρικό ρολόι ανάπτυξης. Μαζί, καθορίζουν πότε ξεκινά κάθε παλμός γονιδιακής έκφρασης και πόσο διαρκεί.
Σύμφωνα με τους ερευνητές, αυτό είναι το πρώτο παράδειγμα βιολογικού ρολογιού που έχει σχεδιαστεί για να εκτελεί μια πεπερασμένη αλληλουχία γεγονότων, αντί να επαναλαμβάνεται συνεχώς.
«Αυτό είναι το κεντρικό ρολόι για όλα τα κύτταρα του σκώληκα», εξηγεί ο Hammell. «Είναι υπεύθυνο για τον συντονισμό μιας πεπερασμένης σειράς διαδοχικών παλμών γονιδιακής έκφρασης που πρέπει να συμβούν μόνο μία φορά, και με τη σωστή σειρά, για την ομαλή εξέλιξη της ανάπτυξης. Λειτουργεί σαν καστάνια (μηχανισμός μονής κατεύθυνσης). Ενεργοποιεί και απενεργοποιεί γονίδια πολλές φορές κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης, αλλά τελικά κινείται μόνο προς μία κατεύθυνση».
Πώς οι πρωτεΐνες MYRF-1 και LIN-42 διατηρούν την ανάπτυξη σε κίνηση
Για να ανακαλύψει πώς λειτουργεί το σύστημα, η ομάδα συνδύασε παραδοσιακά πειράματα μοριακής βιολογίας με αλληλούχιση DNA, αλληλούχιση πρωτεϊνών και το εργαλείο τεχνητής νοημοσύνης AlphaFold. Τα ευρήματά τους έδειξαν ότι η MYRF-1 παίζει αρκετούς κρίσιμους ρόλους κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης.
Η πρωτεΐνη βοηθά στην έναρξη κάθε νέου κύματος γονιδιακής δραστηριότητας και είναι επίσης απαραίτητη για το σημείο ελέγχου (checkpoint) που σηματοδοτεί το τέλος κάθε αναπτυξιακού σταδίου.
Μόλις ξεκινήσει ένας παλμός γονιδιακής έκφρασης, η MYRF-1 ενεργοποιεί τη LIN-42. Στη συνέχεια, η LIN-42 ρυθμίζει πόσο ισχυρός γίνεται ο παλμός και πόσο διαρκεί. Όταν οι ερευνητές μπλόκαραν τη MYRF-1, ολόκληρη η αναπτυξιακή διαδικασία κατέρρευσε, αποδεικνύοντας πόσο απαραίτητη είναι η πρωτεΐνη για τη διατήρηση της σωστής πορείας της ανάπτυξης.
«Δεν έχουμε ξαναδεί κάτι παρόμοιο», λέει ο Hammell. «Η MYRF-1 είναι μέρος αυτού του κεντρικού ρυθμιστικού ρολογιού για όλα τα κύτταρα, αλλά ταυτόχρονα λειτουργεί ως κατασκευαστής κλειδιών και ως το αντικλείδι για κάθε στάδιο ανάπτυξης. Χωρίς το σωστό κλειδί για κάθε στάδιο, η ανάπτυξη πέφτει σε τοίχο και δεν μπορεί να προχωρήσει».
Νέα ερωτήματα σχετικά με την κυτταρική επικοινωνία
Στην ερευνητική ομάδα συμμετείχε επίσης η Διευθύντρια Ερευνών του CSHL, Leemor Joshua-Tor. Οι επιστήμονες εξετάζουν τώρα πώς η MYRF-1 και η LIN-42 αλληλεπιδρούν σωματικά και αν τα επιμέρους κυτταρικά ρολόγια επικοινωνούν μεταξύ τους κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης.
Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο αυτά τα συστήματα χρονισμού παραμένουν συντονισμένα θα μπορούσε να προσφέρει σημαντικές γνώσεις για την κυτταρική ανάπτυξη, τη διαφοροποίηση και την αναπτυξιακή εξέλιξη.
«Το κύκλωμα MYRF-1/LIN-42 λειτουργεί σε όλα τα κύτταρα», λέει ο Hammell. «Και καθένα από αυτά τα ανεξάρτητα κυτταρικά ρολόγια φαίνεται να είναι συγχρονισμένο όταν παρατηρείς τη φυσιολογική ανάπτυξη. Επικοινωνούν όμως μεταξύ τους; Δεν είχαμε σκεφτεί ποτέ βαθιά αυτό το ερώτημα στο παρελθόν».
Πιθανά στοιχεία για τις αναπτυξιακές διαταραχές
Η απάντηση σε αυτό το ερώτημα θα μπορούσε τελικά να βοηθήσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν καλύτερα τις αναπτυξιακές διαταραχές και τις γενετικές ασθένειες. Αποκαλύπτοντας πώς τα αναπτυξιακά ρολόγια του σώματος παραμένουν συγχρονισμένα, η εργασία αυτή ενδέχεται να προσφέρει νέα στοιχεία για το τι συμβαίνει όταν αυτά τα συστήματα αποτυγχάνουν.
Όπως ακριβώς ένα τρένο δεν μπορεί να φύγει από τον σταθμό χωρίς το σωστό σήμα, έτσι και η υγιής ανάπτυξη εξαρτάται από τον ακριβή χρονισμό. Οι ερευνητές πιστεύουν τώρα ότι έχουν εντοπίσει έναν από τους βασικούς μηχανισμούς που διατηρούν αυτή τη διαδικασία σε κίνηση προς τα εμπρός.
