طور الباحثون طريقة لتحديد أنواع الخلايا المماثلة من الكائنات الحية – بما في ذلك الأسماك والفئران والديدان المفلطحة والإسفنج – والتي تنوعت لمئات الملايين من السنين ، مما يساعد على سد الفجوات في فهم التطور.
الخلايا هي اللبنات الأساسية للحياة ، وهي موجودة في كل كائن حي. ولكن ما مدى تشابه خلاياك مع الماوس في رأيك؟ سمكة؟ دودة؟
ستساعد مقارنة أنواع الخلايا في الأنواع المختلفة عبر شجرة الخلية في فهم كيفية ظهور أنواع الخلايا للأنواع البيولوجية وكيف تكيفت مع الاحتياجات الوظيفية لأشكال الحياة المختلفة. كان هذا موضع اهتمام متزايد لعلماء الأحياء التطورية في السنوات الأخيرة حيث تسمح التكنولوجيا الجديدة الآن بفرز وتحديد جميع الخلايا داخل الكائنات الحية الكاملة. أوضح بو وانج ، الأستاذ المساعد في الهندسة الحيوية بجامعة ستانفورد: “هناك في الأساس موجة في المجتمع العلمي لتصنيف جميع أنواع الخلايا إلى أنواع مختلفة من الكائنات الحية”.
استجابة لهذه الفرصة ، طور مختبر وانج طريقة للجمع بين أنواع الخلايا المتشابهة على مسافات تطورية. تم وصف نمطهم في دراسة نُشرت في 4 مايو 2021 eLife، مصممة لمقارنة أنواع الخلايا داخل الأنواع المختلفة.
في بحثهم ، استخدم الفريق سبعة أنواع لمقارنة 21 زوجًا مختلفًا وتمكنوا من تحديد أنواع الخلايا في جميع الكائنات الحية مع أوجه التشابه والاختلاف بينها.
مقارنة بين أنواع الخلايا
قال ألكسندر تاراشانسكي ، طالب هندسة حيوية يعمل في مختبر وانغ ، إن الفكرة ظهرت عندما دخل وانغ المختبر يومًا ما وسأله عما إذا كان يمكنه دراسة قواعد بيانات من نوع الخلية من دودتين مختلفتين. في نفس الوقت.
قال تاراشانسكي ، المؤلف الرئيسي للأطروحة وزميل متعدد التخصصات في جامعة ستانفورد بيو إكس: “لقد اندهشت من مدى الفوارق الصارخة بينهما”. “اعتقدنا أنه يجب أن يكون لديهم أنواع خلايا متشابهة ، ولكن عند محاولة تحليلها باستخدام التقنيات القياسية ، لم يتعرف النظام عليها على أنها متطابقة.”
وتساءل عما إذا كان هذا تعقيدًا في التقنية أو ما إذا كانت أنواع الخلايا مختلفة بما يكفي لتناسب الأنواع المختلفة. ثم بدأ Tarashansky العمل على آلية لتحسين تكيف أنواع الخلايا عبر الأنواع.
قال تاراشانسكي: “أستطيع أن أقول إنني أحب مقارنة الإسفنج بالرجل”. “ليس من الواضح أي جين من الجينات الإسفنجية متوافق مع أي جين بشري ، لأنه مع تطور الكائنات الحية ، تنسخ الجينات وتتغير وتتضاعف. والآن لديك جين قد يكون مرتبطًا بالعديد من الجينات في الإنسان الإسفنجي.”
بدلاً من محاولة إيجاد توافق جيني فردي مثل الطرق السابقة لمطابقة البيانات ، تنطبق طريقة رسم الخرائط التي وضعها الباحثون على جميع الجينات البشرية التي يمكن أن تتطابق مع الإسفنج. ستكتشف الخوارزمية ما هو صحيح.
يجادل Tarashansky بأن محاولة العثور على زوج جيني واحد فقط قد حدت في الماضي من العلماء لرسم خريطة لأنواع الخلايا. “الاكتشاف الرئيسي هنا هو أننا نحسب الميزات التي تغيرت على مدى مئات الملايين من السنين من التطور لمقارنات بعيدة المدى.”
“كيف يمكن استخدام الجينات المتنامية باستمرار لتحديد نوع الخلية نفسه الذي يتغير باستمرار في الخلايا المختلفة؟” سعيد وانغ ، أحد كبار مؤلفي الدراسة. “يُفهم التطور باستخدام الجينات والصفات البيولوجية. أعتقد أننا الآن عند نقطة تحول مثيرة في التحكم في المقاييس من خلال النظر في كيفية تشكل الخلايا.”
ملء شجرة الحياة
باستخدام نهج رسم الخرائط الخاص بهم ، حدد الفريق العديد من الجينات المحفوظة وعائلات أنواع الخلايا في جميع أنحاء الأنواع.
قال Tarashansky إن مقارنة الخلايا الجذعية بين نوعين مختلفين من الديدان المفلطحة كانت من أبرز ما في البحث.
قال: “كان من المثير للغاية أن نجد بعضنا البعض يتنافس في مجموعات الخلايا الجذعية لديهم”. “أعتقد أنه منفتح على معلومات جديدة ومثيرة حول شكل الخلايا الجذعية في الدودة الطفيلية المفلطحة التي تصيب مئات الملايين من الناس حول العالم.”
تشير نتائج رسم خرائط الفريق إلى أن خصائص الخلايا العصبية وخلايا العضلات آمنة من أبسط أنواع الحيوانات ، مثل الإسفنج ، إلى الثدييات المعقدة مثل الفئران والبشر.
قال وانغ: “هذا يشير حقًا إلى أن هذه الأنواع من الخلايا نشأت في وقت مبكر جدًا من تطور الحيوانات”.
الآن وقد طور الفريق أداة لمقارنة الخلايا ، يمكن للباحثين جمع البيانات باستمرار من أنواع مختلفة من الكائنات الحية لتحليلها. مع جمع المزيد من مجموعات البيانات ومقارنتها من المزيد من الكائنات الحية ، سيتمكن علماء الأحياء من تتبع مسار أنواع الخلايا في الكائنات الحية المختلفة وتحسين القدرة على التعرف على أنواع الخلايا الجديدة.
قال تاراشانسكي: “إذا كان لديك فقط الإسفنج والديدان ولا يمكنك رؤية كل شيء بينهما ، فمن الصعب أن تعرف كيف نشأت أنواع الخلايا الإسفنجية أو كيف تنوع أسلافهم إلى إسفنج وديدان”. “نريد ملء أكبر عدد ممكن من العقد بشجرة الحياة لتسهيل هذا النوع من التحليل التطوري ونقل المعرفة عبر الأنواع.”
ملاحظة: ألكسندر ج.تاراشانسكي ، جاكوب م. موسر ، مارجريتا جاريتون ، بينجانج لي ، ديدل أرندت ، ستيفن ر. eLife.
DOI: 10.7554 / eLife.66747
ومن بين المؤلفين المشاركين الآخرين في جامعة ستانفورد ، طلاب الدراسات العليا مارجريتا جيريدان وبينجانج لي ، وستيفن كويك ، أستاذ الهندسة الحيوية والفيزياء التطبيقية والرئيس المشارك للوقود الحيوي في سان زوكربيرج. المؤلفون المشاركون الآخرون هم من مختبر البيولوجيا الجزيئية الأوروبي وجامعة هايدلبرغ. وانغ أيضًا عضو في Stanford Bio-X و Wu Chai Neurosciences. إيرثكويك هو أيضًا عضو في Bio-X ومعهد ستانفورد للقلب ومعهد ستانفورد للسرطان ومعهد وو تشاي لعلوم الأعصاب.
تم تمويل البحث من قبل Stanford Bio-X وجائزة Beckman Young Investigator Award والمعاهد الوطنية للصحة. سيقوم وانغ وكويك بتطوير هذا العمل كجزء من مبادرة Neuro-Omics التي يمولها معهد Wu Chai Neurosciences.
