Badania genetyczne żółwi mogą przysłużyć się medycynie
Wyhodowane w laboratorium organoidy złożone z komórek żółwiej wątroby mogą przyspieszyć badania nad żółwiami i ułatwić wykorzystanie przydatnych cech tych gadów także w leczeniu ludzi – informuje pismo „Communications Biology“.
Czym są organoidy?
.Organoidy to trójwymiarowe grupy wyhodowanych w laboratorium komórek, które organizują się w struktury komórkowe podobne do tych, jakie możemy znaleźć w różnych narządach.
Dr Nicole Valenzuela, profesor ekologii, ewolucji i biologii organizmów Iowa State University (USA), zainspirowana pracami innych naukowców z tej uczelni nad komórkami ssaków, wyhodowała z dorosłych komórek macierzystych organoidy złożone z komórek wątroby trzech gatunków żółwi (https://www.nature.com/articles/s42003-024-05818-1). Jest to pierwszy zestaw organoidów opracowany dla żółwi i dopiero drugi dla jakiegokolwiek gada (wcześniej wyhodowano organoidy z komórek gruczołów jadowych węża).
Badanie genetyki żółwi za pomocą organoidów wątroby powinno przyspieszyć badania mające wyjaśnić cechy, które mogą potencjalnie mieć zastosowania medyczne u ludzi – na przykład zdolności żółwi malowanych (Chrysemys picta) do przetrwania tygodni bez tlenu i wytrzymywania ekstremalnych mrozów.
„Niektóre z ich unikalnych adaptacji sprawiają, że żółwie malowane są interesującym modelem dla biomedycyny. Jednak pozostają one niedostatecznie zbadane, ponieważ jest to trudna praca” – wskazała prof. Valenzuela.
Valenzuela prowadzi badania nad żółwiami od ponad trzydziestu lat. Szczególnie interesuje ją u tych gadów determinacja płci zależna od temperatury. U wielu żółwi w niższej temperaturze z jaj wykluwa się więcej samców, w wyższej – więcej samic.
Badając genetyczne podłoże poszczególnych cech organizmu, biolodzy muszą ostatecznie zweryfikować swoje ustalenia, aby potwierdzić, że gen działa zgodnie z podejrzeniami. Wymaga to manipulacji tymi genami, co stanowi wyzwanie w przypadku żółwi, ponieważ rozmnażają się sezonowo i dojrzewają powoli.
„To łatwe, gdy pracuje się z muszkami owocowymi lub płazińcami, ale przeprowadzanie eksperymentów transgenicznych na żółwiach jest prawie niemożliwe – podkreśliła prof. Valenzuela. – Między innymi dlatego badacze coraz częściej opracowują organoidy. Z jednego kawałka tkanki można uzyskać nieograniczone źródło obiektów do eksperymentów i nie trzeba stale pobierać próbek od zwierząt. Organoidy to ważna technologia pozwalająca ograniczyć badania na żywych zwierzętach”.
Zespół Valenzueli oparł swój proces na metodach stosowanych przez grupę badawczą z College of Veterinary Medicine, której prace nad organoidami obejmowały psi model jelitowy do testowania szybkości wchłaniania leków. Kierownicy projektu jelita psa – Karin Allenspach i Jon Mochel, obecnie pracujący na University of Georgia – również brali udział w projekcie organoidów żółwia. Niedawny doktorant Iowa State University Krzysztof Zdyrski był pierwszym autorem artykułu dotyczącego tych organoidów.
Badania nad żółwiami ważne dla medycyny
.Organoidy powstają poprzez hodowlę próbki tkanki w roztworze stymulującym produkcję komórek macierzystych, specjalnych komórek w organizmie odpowiedzialnych za naprawę i wzrost. Przy odpowiedniej pożywce komórki macierzyste zaczynają wytwarzać komórki wątroby żółwia. Trójwymiarowy klaster lepiej niż płaska warstwa pojedynczych komórek naśladuje złożoność rzeczywistej tkanki.
Naukowcy w pierwszej kolejności skupili się na wątrobie, ponieważ odgrywa ona kluczową rolę w przetrwaniu ekstremalnego zimna i niedoboru tlenu. Wątroba wytwarza białka i enzymy, które wzmacniają obronę komórkową przed zamarzaniem i dostarczają niewielką ilość energii, której żółw potrzebuje do metabolizmu beztlenowego, wykorzystując swoją skorupę i kości do radzenia sobie z gromadzącym się kwasem mlekowym.
Organoidy wygenerowane przez zespół Valenzueli pochodziły z próbek pobranych w Iowa od młodych żółwi kolczastych i żółwi jaszczurowatych, a także młodych, dorosłych i embrionalnych żółwi malowanych. Zdaniem autorów badań to, co powiodło się w przypadku trzech gatunków żółwi może zostać powtórzone także w badaniach nad innymi gadami. Na razie planowane są badania nad gonadami żółwi, by lepiej poznać zależny od temperatury proces determinacji płci.
Sekrety genetyki
.Badania, w ramach których wyhodowano organoidy w warunkach laboratoryjnych to przykład znaczenia wiedzy o genach we współczesnej medycynie. O tym, jak kluczowa jest dla medycyny ta dziedzina nauki pisze na łamach Wszystko co Najważniejsze Tomoko OTHA, profesor Państwowego Instytutu Genetyki w Mishimie.
„Najnowsze odkrycia, które przyniosły lepsze zrozumienie mechanizmów molekularnych, zrewolucjonizowały wiele dziedzin biologii, w tym biologię komórki i biologię rozwoju. Nic zatem dziwnego, że postępy te pozwalają spojrzeć na nowo na wiele aspektów ewolucjonizmu; dostarczają też dowodów wspierających opracowaną przeze mnie w 1973 roku prawie neutralistyczną teorię ewolucji molekularnej” – opisuje autorka artykułu.
W nauce często bywa tak, że nowe odkrycia przynoszą więcej pytań niż odpowiedzi. I rzeczywiście, dziedzina badań nad ewolucją i genetyką przechodzi obecnie okres zmian najintensywniejszych w 150-letniej historii ewolucjonizmu.
Przez mniej więcej stulecie po wydaniu O powstawaniu gatunków Karola Darwina naukowcy byli przekonani, że mutacje genetyczne przebiegają z grubsza tak, jak to opisał twórca teorii ewolucji. Osobniki wyposażone w lepsze warianty genowe mają większą szansę przeżycia, wydania na świat potomstwa i przekazania swych genów następnym pokoleniom niż osobniki pozbawione wariantów genowych.
„W efekcie mutacje szkodliwe szybko zanikają w populacji. Natomiast te korzystne rozprzestrzeniają się, aż w końcu ich nosicielem są wszystkie osobniki gatunku. Zmiany ewolucyjne, w tym także zmiany morfologiczne, uważano za efekt akumulacji i dystrybucji korzystnych mutacji, a skład genetyczny populacji był, jak uważano, bliski homogeniczności, zaś różnice między osobnikami wynikały z nielicznych losowych mutacji” – opisuje ekspert.
Pogląd ten został jednak podważony, gdy odkryto budowę i rolę DNA. Naukowcy nauczyli się analizować genetyczny skład osobników, a wtedy wyszło na jaw, że zmienność wewnątrzpopulacyjna jest znacznie większa, niż wynikałoby z obowiązujących hipotez ewolucyjnych. Okazało się też, że osobniki mogą mieć podobne cechy, ale zupełnie różne sekwencje genów. Wyglądało na to, że jest to sprzeczne z zasadami ewolucji przebiegającej drogą doboru naturalnego.
„Jedną z pierwszych prób pogodzenia teorii z dowodami podjął mój nieżyjący już kolega Motoo Kimura, postulując istnienie mutacji neutralnych, czyli takich wariantów genowych, które nie są dla osobnika ani korzystne, ani szkodliwe, a zatem nie podlegają doborowi naturalnemu” – pisze Tomoko OTHA.
Co więcej, eksplozja informacji o genomach i genetyce populacji, którą przyniósł wiek XXI, dostarczyła hipotezie sprzed 42 lat nowych dowodów wspierających; ujawniła też nowe rozległe obszary badań. I tak na przykład dzięki odkryciu procesów dynamicznego fałdowania (zwijania) białek rozszerzyła się znacznie nasza wiedza o strukturze i funkcji tych związków. Procesy te są odpowiedzialne za elastyczność, zmienność funkcji białek, a to może się wiązać z zagadnieniem „mutacji niemal neutralnych”.
Do najbardziej istotnych problemów biologii ewolucyjnej należą zdaniem autorki próby zbadania i opisania na poziomie molekularnym mechanizmów ekspresji genów, stanowiących podłoże ewolucji morfologicznej. Dziedzina ta przechodzi okres intensywnych odkryć, prowadzących do lepszej znajomości wielu skomplikowanych systemów wewnątrzkomórkowych. Te działające na poziomie molekularnym systemy stanowią trzon epigenetyki, czyli badań powstawania cech, które są dziedziczone przez komórki potomne, ale nie są związane z różnicami w sekwencjach DNA.
Innym czynnikiem, który wpływa na związek między genotypem a obserwowalnymi cechami osobniczymi, może być też sposób modyfikacji niektórych białek. I tak na przykład enzymy białkowe mogą być „włączane” i „wyłączane”, co zmienia ich aktywność i sposób działania. Te procesy, tak jak inne postacie ekspresji genów, są przypuszczalnie kierowane zarówno przez czynniki dziedziczne, jak i środowiskowe.
