Embryo a evoluce v molekulárním světle

Co spojuje živočišné druhy na úrovni embryonálního vývoje a genetické informace?

Nové výsledky z laboratoře Pavla Tomančáka na Max Planck Institutu v Dražďanech přinášejí nový, molekulární pohled na spojení mezi evoluční historií živočišných druhů a způsobem, jakým probíhá jejich embryonální vývoj. Tento klasický biologický problém vědce fascinuje už od dob zakladatelů evoluční teorie Charlese Darwina a Ernsta Haeckela. Mezinárodní tým vědců pod vedením českého biologa objasnil důvody, proč se různé druhy živých organismů nápadně podobají jeden druhému ve střední fázi embryonálního vývoje. Analýza dat, která za pomoci nejmodernějších metod monitorují aktivitu genů celého genomu, ukázala, že tato viditelná podobnost organismů v průběhu vývoje je odrazem hlubší shody na molekulární úrovni genové exprese. Tento objev, který byl publikován na titulní straně prestižního časopisu Nature, nejen potvrzuje klasické anatomické studie, ale také rozšiřuje naše chápání vztahů mezi evolucí a individuálním vývojem organismu na molekulární úroveň.

200 let starý biologický problém v 21. století

Biologové jsou od nepaměti fascinováni skutečností, že organismy tak odlišné v dospělé podobě jako myš, kočka, či dokonce člověk jsou téměř k nerozeznání v raných fázích embryonálního vývoje. Tato podobnost naznačuje hlubokou souvislost mezi evoluční historií živých organismů a jejich embryonálním vývojem a představuje jeden z nejpřesvědčivějších důkazů pro společný původ živočišných druhů, srozumitelný nejen pro profesionální biology, ale také pro širokou veřejnost.

Přesto, již od prvních pozorování průkopníků biologického výzkumu v 19. století, Karla von Baera, Charlese Darwina a Ernsta Haeckela, byly existence a význam těchto podobností zpochybňovány, především v důsledku subjektivity, kterou s sebou srovnávání anatomie různých živočišných druhů nutně přináší. Cílem výzkumu mezinárodní skupiny vědců pod vedením Pavla Tomančáka na Max Planck Institutu v Drážďanech a jejich spolupracovníků na Univerzitě v Manchesteru a Duke univerzitě v USA bylo použít moderní metody molekulární biologie a funkční genomiky k osvětlení tohoto klasického biologického problému.

Zatímco zakladatelé embryologie věřili, že živočišné druhy se navzájem nejvíc podobají v nejranějších stadiích embryonálního vývoje, moderní mikroskopické pozorovací metody dvacátého století ukázaly, že to jsou až střední stadia embryogeneze, kdy jsou jednotlivé druhy patřící do stejné taxonomické skupiny (např. obratlovci, hmyz) téměř nerozlišitelné. Před a po tomto stadiu, které je typické pro jednotlivé skupiny organismů, se anatomie živočichů nápadně odlišuje, což ostatně můžeme denně pozorovat všude kolem nás v nesmírné rozmanitosti forem života. Tento model počáteční rozmanitosti následované nepřehlédnutelnou podobností a poté opět rozmanitostí v průběhu embryogeneze je v biologii označován jako takzvaný „model přesýpacích hodin" a představuje jeden z pilířů evoluční a vývojové biologie. Až donedávna byly důkazy pro tento model založené pouze na subjektivním srovnávání anatomie embryí různých druhů, tedy stejných metodách pozorování, jaké se používaly už v devatenáctém století.

Molekulární stroj času - ze současnosti do hlubin evoluční historie druhů

Doktorka Karolina Varga, polská bioložka ze skupiny Pavla Tomančáka, použila nejmodernějších genových technologií pro srovnání exprese genetické informace uložené v genomu šesti různých druhů banánových mušek z čeledi octomilkovitých (Drosophilidae), které se pro podobný typ výzkumu velice úspěšně používají již více než sto let. Srovnání tisíců genů v různých stadiích vývoje ukázalo, že embryonální stadium, ve kterém se hmyzí druhy nápadně podobají, je podloženo odpovídající podobností na molekulární úrovni genové exprese. „Tento objev nejenom potvrzuje závěry klasických anatomických studií, ale především rozšiřuje naše chápání vztahu mezi vývojem a evolucí na molekulární úroveň," vysvětluje Alex Kalinka, britský evoluční biolog z laboratoře Pavla Tomančáka.

Drážďanský tým také osvětlil důvody, proč stadium podobnosti v průběhu embryonálního vývoje vůbec existuje, což je základní problém moderní evoluční biologie. Pomocí kvantitativního genetického modelování vědci došli k závěru, že stabilizační selekce omezuje diverzifikaci genové exprese ve středním, takzvaném „fylotypickém" stadiu embryogeneze významně více než před a po tomto stádiu. „Naše analýza naznačuje, že podobnost forem živočichů v průběhu embryogeneze je aktivně udržována přírodním výběrem, který je hlavním motorem evolučních změn," vysvětluje Pavel Tomančák.

Na začátku prosince prestižní vědecký časopis Nature publikoval výsledky tohoto čistě základního výzkumu na rozhraní evoluční a vývojové biologie a věnoval jim i obrázek na titulní straně. Tento výzkum otevírá zcela nové obzory, protože octomilky jsou jedním z nejlepších modelových systémů pro studium embryonálního vývoje metodami molekulární biologie a genetiky. Je vskutku pozoruhodné, že evoluční procesy, které vedly k úvodnímu rozvětvení stromu života před více než 600 miliony lety, jsou stále aktivní i v současné době. Potvrzení „modelu přesýpacích hodin" na molekulární úrovni u žijících druhů je pro biology, jako by získali stroj času, který jim umožní použít moderních experimentálních metod k pochopení diverzifikace organismů v raných fázích evoluce. „Doufáme, že se nám podaří zachytit záblesk procesů, které v hlubokém dávnověku formovaly současnou rozmanitost živočišných druhů," říká Pavel Tomančák o dlouhodobých cílech svého výzkumu.

Legenda k obrázku:

Světoznámé srovnání anatomie embryí obratlovců od neméně proslulého německého biologa devatenáctého století Ernsta Haeckela zrekonstruované jako mozaika obrázků genové exprese v embryogenezi Drosophily. Mozaika se skládá z přibližně čtyř tisíc různých dílů vybraných z databáze 38000 obrázků expresních vzorů. Tento obrázek byl použit na titulní straně prosincového čísla časopisu Nature.

Publikace:

Alex T. Kalinka*, Karolina M. Varga*, Dave T. Gerrard, Stephan Preibisch, David L. Corcoran, Julia Jarrells, Uwe Ohler, Casey M. Bergman & Pavel Tomancak:

Gene expression divergence recapitulates the developmental hourglass model

Nature, December 9, 2010, doi:10.1038/nature09634, * tito autoři přispěli k práci stejným dílem

Dalsi informace:

Pavel Tomančák, Ph.D.

vedoucí výzkumné skupiny

Max Planck Institute
of Molecular Cell Biology and Genetics

Pfotenhauerstr. 108

D-01307 Dresden

Germany

phone +49 351 210 2670

tomancak@mpi-cbg.de