Informace

4.4: Životní cyklus mnohobuněčného eukaryota - biologie


Původ smrti

Buňky se po mitóze ne vždy rozdělí, ale někdy zůstanou pohromadě a vytvoří se mnohobuněčné organismy. To zvyšuje jejich velikost, a proto poskytuje obranu před predátory. Bohužel není možné jednoduše zvětšit velikost buňky, protože skutečně velká buňka bude mít méně povrchu (ve vztahu k objemu), proto bude mít mnoho obtíží s fotosyntézou, dýcháním a dalšími procesy, které souvisejí s povrchem buňky. Ale mnoho buněk dohromady vytvoří dostatečně velký povrch (obrázek ( PageIndex {1} )). Mnohobuněčný organismus má dva způsoby růstu: škálování těla a rozmnožování buněk.

Obrázek ( PageIndex {1} ) Původ mnohobuněčnosti. Buňku nelze zvětšit, povrch je příliš malý. Pokud se ale buňky po mitóze nerozdělí, mohou vytvořit tělo, které je dostatečně velké na to, aby uniklo predátorům. To také poskytuje nový způsob růstu a možnost dělby práce (barevné buňky).

Mnohobuněčnost umožňuje těmto buňkám také rozdělit práci a spolupracovat. To je pro budoucí vývoj nesmírně důležité.

Buňky v mnohobuněčném těle nejsou spojeny navždy. Někdy jedna nebo několik buněk uteče a založí nové tělo. Toto tělo bude přesnou kopií (klonem) předchozího (vegetativní reprodukce). Je také možné, že když se tyto „uniklé buňky“ vydají jinou cestou: stanou se „sexuálními delegáty“, gamety. Všechny gamety chtějí syngamii a tyto buňky budou hledat partnera stejného druhu, ale s jiným genotypem. V případě heterogamie a oogamie je snadné to rozpoznat, protože pohlaví poskytne nápovědu: muž bude hledat ženu. V případě isogamie hledají gamety partnera s různými povrchovými proteiny. Poté, co se konečně spojí, se objeví diploidní buňka (zygota). Zygota může zimovat a poté se meioticky rozdělit. Toto je nejjednodušší životní cyklus mnohobuněčného organismu (obrázek ( PageIndex {2} )), docela podobný cyklu diskutovanému výše pro jednobuněčný organismus.

Obrázek ( PageIndex {2} ) Nejstarší životní cyklus mnohobuněčného organismu. Zygota neroste, meioticky se rozděluje. Somatické („šedé“) buňky odumřou, pouze zárodečné buňky přenesou svou DNA do budoucích generací.

Zygota však často začíná mitoticky růst a dělit se, což vytváří diploidní tělo. Existují dva důvody pro vytvoření mnohobuněčného těla ze zygoty bez meiózy: (a) protože v plechovce a (b) protože diploid je lepší. „Může“, protože zygota již obsahuje program DNA o tom, jak vybudovat mnohobuněčné tělo. Proč je diploid lepší, vysvětleno v další části.

Pokud se mnohobuněčný organismus skládá z diploidních buněk ( (2n )), použijeme neutrální termín diplont. Mnohobuněčné organismy s haploidními buňkami ( (n )) jsou haplonti.

„Uniklé buňky“, „sexuální delegáti“ nebo mateřské buňky gamet z výše uvedeného jsou první fází dělby práce, když se buňky dělí na dva typy, zárodečné buňky a somatické buňky. Somatické buňky jsou ty, které nakonec zemřou, ale zárodečné buňky jsou schopné dát potomstvo. Mít zárodečné buňky není pro mnohobuněčné organismy zcela nezbytný, ale většina z nich má dobře oddělené zárodečné linie. Původ smrti je tedy přímo spojen s tímto oddělením: somatické buňky nejsou pro budoucí generace potřebné. Jednobuněčné organismy jsou potenciálně nesmrtelné a totéž platí pro rakovinné buňky, které také unikají z organismu (ale nemohou vytvořit nový).

Životní cyklus mnohobuněčného organismu lze popsat od haplontu (obrázek ( PageIndex {3} )). Pokud jsou podmínky prostředí příznivé, dochází k vegetativní reprodukci. Jednou z variant vegetativní reprodukce je ta buňka (mitospore) oddělí se od haplontu, poté se rozdělí na více buněk a stane se novým haplontem. Někdy se celé kusy oddělí a vyrostou do nových haplontů. Když se podmínky změní, může haplont zahájit sexuální reprodukci: syngamie. V syngamii se jedna gameta oddělí od haplontu a spojí se s gametou od jiného haplontu. Gamety dohromady tvoří zygotu. Tato zygota může přejít přímo na meiózu (jak se to stává u jednobuněčných eukaryot), ale častěji zygota poroste, mitoticky se rozdělí a nakonec se stane diplontem. Tento diplont může být povrchově téměř identický s haplontem, ale každá jeho buňka obsahuje diploidní jádro (každý chromozom má pár). Diplont (podobně jako haplont) se může reprodukovat vegetativně (vytvářet klony): buňka se odděluje od diplontu, poté se mitoticky rozděluje na více buněk a stává se novým diplontem.

Diplont je také schopen nepohlavní reprodukce: může existovat buňka, která se odděluje od diplont a rozděluje se redukční dělení buněk vytvoří čtyři spory, z nichž každá vyroste haplont.

Obrázek ( PageIndex {3} ) Obecný životní cyklus. Haploidní část je vlevo, diploidní vpravo, syngamie nahoře, meióza dole. Písmeno „M“ se používá k označení mitózy.

Životní cykly sporické, zygotické a gametické

Výše popsaný životní cyklus je sporický životní cyklus (obrázek ( PageIndex {4} )). Organismy se sporickým životním cyklem mají jak diplont, tak haplont, stejně nebo nerovnoměrně vyvinuté.

Obrázek ( PageIndex {4} ) Sporický životní cyklus. Přehled. Haploidní část je vlevo, diploidní vpravo, syngamie nahoře, meióza dole.

Celkově existují tři typy životních cyklů: sporický, zygotický, který je nejvíce podobný jednobuněčnému a nejprimitivnějšímu; a gametický, který používají zvířata a několik protistů (obrázek ( PageIndex {5} )). The zygotický životní cyklus začíná syngamií a přechází do meiózy. Nemá diplont. Gametický životní cyklus jde od meiózy k syngamii. Nemá to haplont.

Protisté mají všechny tři typy životních cyklů, zatímco vyšší skupiny mají pouze jeden. Zvířata vykazují gametický cyklus, zatímco rostliny (_ 2 ) si zachovaly primitivnější sporický cyklus.

Evoluce životních cyklů

Nejmarkantnějším rozdílem mezi jednobuněčnými a mnohobuněčnými životními cykly je to, že zygota mnohobuněčného organismu může začít vytvářet diploidní tělo (diplont), které je někdy vizuálně téměř totožné s haplontem. Důvodem je, že v evoluční perspektivě jsou diplonti „lepší“ než haplonti. Častá situace dominance genu umožňuje působení pouze jedné varianty (alely) genu, která může zachránit organismus před smrtícími mutacemi. Vyšší počet genů by mohl pomoci vytvořit více proteinů. Třetím důvodem je, že genomy diplontů jsou rozmanitější. Jeden gen může být schopen odolat jedné skupině podmínek a druhá varianta může mít jiný soubor možných podmínek. Diplont je proto schopen využít výhod schopností obou genetických variant.

Obrázek ( PageIndex {5} ) Vývoj životních cyklů (zelené šipky představují pět evolučních přechodů) od jednobuněčných zygotických po mnohobuněčné gamety prostřednictvím různých variant sporických cyklů.

V důsledku toho jde evoluce životních cyklů od zygotických (podobných jednobuněčným) ke sporickým (obr. úplné omezení haplontu, gametický životní cyklus. Je stále otevřenou otázkou, jak se zygotičtí protisté vyvinuli na sporickou stranu. Zygota (která je z definice diploidní) se s největší pravděpodobností nechtěla meioticky dělit. Místo toho roste (což je vidět na některých prvcích) a mitoticky se rozděluje, čímž se rodí diplont. Tak začal první sporický cyklus. Posledním krokem tohoto evolučního řetězce byla úplná redukce haplontu: po meióze byly spóry nahrazeny gametami, které okamžitě přecházejí do syngamie.

Životní cyklus vegetabilie

Předchůdci Vegetabilia (rostliny (_ 2 )) byly zelené řasy se zygotickým životním cyklem. Dalo se představit, že jejich zygota začala růst, protože tyto organismy obývaly mělké vody a chtěly, aby jejich spory byly distribuovány větrem. Jedním ze způsobů, jak se to stane, je mít výtrusy na stonku rostliny. To je pravděpodobně důvod

Obrázek ( PageIndex {6} ) Vývoj životních cyklů (zelené šipky představují pět evolučních přechodů) od jednobuněčných zygotických po mnohobuněčné gamety prostřednictvím různých variant sporických cyklů.

růstu zygoty: prvotní diplonti rostlin (_ 2 ) byli prostě sporangia, struktury nesoucí spory. Poté se začaly objevovat výhody diploidního stavu popsaného výše a tyto primitivní rostliny se vydaly na cestu redukce haplontu. Některé vegetabilie (játrovky, mechy a hornworty) však stále mají haplontní nadvládu. Je to pravděpodobně proto, že jejich haplonti jsou poikilohydric (je vysvětleno v dalších kapitolách), adaptace, která je prospěšná pro malé rostliny.

Životní cyklus rostlin (_ 2 ) je sporický, ale vědecká tradice používá pro jednotlivé fáze názvy související s rostlinami. Cyklus (obrázek ( PageIndex {7} )) začíná diplontem nazývaným a sporofyt, která produkuje spory. Sporofyt nese a sporangium, uvnitř kterého mateřská buňka spor používá meiózu k výrobě spór. Spory klíčí a rostou do tzv. Haplontů gametofyt. Gametophyte produkuje gamety, konkrétně spermie (nebo jednoduše „spermie“) a oocyt (vajíčko). Tyto gamety jsou vyvinuty ve speciálních orgánech -gametangie. Nazývá se gametangium, které obsahuje mužské gamety (spermie) antheridiuma ženské gametangium je archegonium, poslední normálně obsahuje pouze jednu vaječnou buňku (oocyt).

Syngamií (v tomto případě oogamií) tvoří obě gamety zygotu. Dále a mladý sporofyt roste na gametofytua nakonec cyklus začíná znovu. Sporofyt vegetabilie opět začíná svůj život jako parazit na gametofytu. Tuto fázi nazývají i kvetoucí rostliny embryo. Možná právě proto nebyl gametofyt rostlin (_ 2 ) nikdy úplně redukován, aby se jejich cyklus změnil na gametický. I v nejpokročilejších rostlinných liniích mají jejich samčí (což tvoří pouze spermie) a samičí gametofyty minimálně 3 a 4 buňky, ale ne 0!

Obrázek ( PageIndex {7} ) Životní cyklus suchozemských rostlin. Pro inovace se používá červená barva ve srovnání s předchozím (obecným) schématem životního cyklu.


Velká oxidační událost

The Velká oxidační událost (GOE), někdy také nazýván Velká okysličovací akce, bylo časové období, kdy zemská atmosféra a mělký oceán poprvé zaznamenaly vzestup kyslíku, přibližně 2,4–2,0 Ga (před miliardou let) během paleoproterozoické éry. [2] Geologické, izotopické a chemické důkazy naznačují, že biologicky vyráběný molekulární kyslík (dioxygen, O2) se začal hromadit v zemské atmosféře a změnil ji ze slabě redukující atmosféry na oxidační atmosféru [3], což způsobilo vymření mnoha stávajících druhů na Zemi. [4] Cyanobakterie produkující kyslík způsobily událost, která umožnila následný vývoj mnohobuněčných forem života. [5]

  • Fáze 1 (3,85–2,45 Ga): Prakticky žádný O2 v atmosféře. Oceány byly také do značné míry anoxické s možnou výjimkou O2 v mělkých oceánech.
  • Fáze 2 (2,45–1,85 Ga): O2 produkován, stoupající na hodnoty 0,02 a 0,04 atm, ale absorbovaný v oceánech a hornině mořského dna.
  • Fáze 3 (1,85–0,85 Ga): O2 začne plynovat z oceánů, ale je absorbován pevninskými povrchy. Žádná významná změna hladiny kyslíku.
  • Fáze 4 a 5 (0,85 Ga - přítomno): Ostatní O2 v atmosféře se hromadí plyn naplněný zásobníky. [1]

Protists: Evoluce a ekologie mikrobiálních eukaryot

Zdá se, že životu na Zemi dominují vyšší rostliny a živočichové. Přesto se v listí, trávě, půdě, rašeliništích, rybnících, potocích, jezerech a oceánech rojí obrovský počet mikrobiálních eukaryot. Tyto nenápadné organismy jsou bičíkovci, řasy, ciliati, sarcodiny, slizové formy, apicomplexany. Tato sestava se obecně nazývá protisté. Naším cílem je vytvořit komplexní obraz rozmanitosti protistánu. Hlavní kroky eukaryotické evoluce budou soustředěny. Sledováním fylogenetických afinit v liniích protistánů objasníme hlavní větve na stromě eukaryotického života.

Mnoho prvoků je jednobuněčných. Tato jedna buňka je současně soběstačným organismem, který je schopen sám cítit, pohybovat se, krmit a odrazovat útok. Buňky protistánu proto často vykazují větší složitost organel, struktur a kontrol než specializované buňky metazoanských zvířat a vyšších rostlin. Budeme zkoumat, jak svobodně žijící a parazitující jednobuněčníci implementují pohyb, získávání potravy, trávení, osmotickou regulaci a jak dosahují svého životního cyklu. Rovněž se podíváme na to, jak protisté interagují s prostředím a dokážou být biologickým úspěchem. V rámci šesti modulů si povíme (1) o tom, co jsou to protisty, (2) bičíkovci, (3) sarcodiny a slizové formy, (4) ciliati, (5) apicomplexans a mikrosporidiáni a (6) konečně projdeme moderní fylogeneze, bude shrnovat životní historie a diskutovat o evolučních trendech ve volně žijících a parazitických prvokech. Tento online kurz bude mít volitelné rozšíření na akademické půdě, kdy studenti mají týden praktických cvičení v laboratoři. Pomocí světelné mikroskopie budou pozorovat, zkoumat a dokumentovat živé vzorky a fixní držáky nahých a testovaných améeb, foraminiferanů, radiolarianů, heliozoanů, myxomycetů, bičíků, ciliatů, gregarinů a kokcidiánů.


Obsah

Koncept eukaryota byl přičítán francouzskému biologovi Edouardu Chattonovi (1883–1947). Pojmy prokaryot a eukaryot byly definitivně znovu zavedeny kanadským mikrobiologem Rogerem Stanierem a holandsko-americkým mikrobiologem C. B. van Nielem v roce 1962. Ve své práci z roku 1937 Titres et Travaux Scientifiques[17] Chatton navrhl dva termíny a nazval bakterie prokaryoty a organismy s jádry ve svých buňkách eukaryoty. Zmínil to však pouze v jednom odstavci a tato myšlenka byla účinně ignorována, dokud jeho prohlášení znovu neobjevili Stanier a van Niel. [18]

V letech 1905 a 1910 ruský biolog Konstantin Mereschkowski (1855–1921) tvrdil, že plastidům byly redukovány sinice v symbióze s nefotosyntetickým (heterotrofním) hostitelem, který byl sám vytvořen symbiózou mezi hostitelem podobným amébě a bakterií podobným buňka, která tvořila jádro. Rostliny tak zdědily fotosyntézu od sinic. [19]

V roce 1967 poskytla Lynn Margulis ve svém příspěvku mikrobiologický důkaz endosymbiózy jako původu chloroplastů a mitochondrií v eukaryotických buňkách, O původu mitosingových buněk. [20] V 70. letech Carl Woese prozkoumal mikrobiální fylogenetiku a studoval variace v 16S ribozomální RNA. To pomohlo odhalit původ eukaryotů a symbiogenezi dvou důležitých eukaryotických organel, mitochondrií a chloroplastů. V roce 1977 Woese a George Fox představili „třetí formu života“, kterou v roce 1990 nazvali Archaebacteria, Woese, Otto Kandler a Mark L. Wheelis ji přejmenovali na Archaea. [21] [18]

V roce 1979 G. W. Gould a G. J. Dring navrhli, že jádro eukaryotické buňky pochází ze schopnosti bakterií Firmicute vytvářet endospory. V roce 1987 a novějších dokumentech Thomas Cavalier-Smith místo toho navrhl, aby membrány jádra a endoplazmatického retikula nejprve vytvořily infoldací plazmatické membrány prokaryota. V devadesátých letech několik dalších biologů navrhlo endosymbiotický původ jádra a účinně oživilo Mereschkowského teorii. [19]

Eukaryotické buňky jsou typicky mnohem větší než prokaryoty a mají objem přibližně 10 000krát větší než prokaryotické buňky. [22] Mají různé vnitřní membránou vázané struktury, nazývané organely, a cytoskelet složený z mikrotubulů, mikrofilament a intermediárních filamentů, které hrají důležitou roli při definování organizace a tvaru buňky. Eukaryotická DNA je rozdělena do několika lineárních svazků nazývaných chromozomy, které jsou během jaderného dělení odděleny mikrotubulárním vřetenem.

Vnitřní membrána

Eukaryotické buňky zahrnují řadu membránově vázaných struktur, souhrnně označovaných jako endomembránový systém. [23] Jednoduché oddíly, nazývané váčky a vakuoly, se mohou tvořit pučením z jiných membrán. Mnoho buněk požírá potravu a další materiály procesem endocytózy, kde se vnější membrána invaginuje a poté štípne za vzniku váčku. [24] Je pravděpodobné [ Citace je zapotřebí ] že většina ostatních organel vázaných na membránu je nakonec odvozena z takových vezikul. Alternativně mohou některé produkty produkované buňkou zanechat ve vezikulu prostřednictvím exocytózy.

Jádro je obklopeno dvojitou membránou známou jako jaderná obálka s jadernými póry, které umožňují pohyb materiálu dovnitř a ven. [25] Různá trubičková a archová prodloužení jaderné membrány tvoří endoplazmatické retikulum, které se podílí na transportu a zrání bílkovin. Obsahuje hrubé endoplazmatické retikulum, kde jsou připojeny ribozomy za účelem syntézy proteinů, které vstupují do vnitřního prostoru nebo lumenu. Následně obvykle vstupují do vezikul, které vyčnívají z hladkého endoplazmatického retikula. [26] Ve většině eukaryotů se tyto vezikuly nesoucí bílkoviny uvolňují a dále upravují ve svazcích zploštělých váčků (cisternae), Golgiho aparátu. [27]

Vesikuly mohou být specializované pro různé účely. Například lysozomy obsahují trávicí enzymy, které rozkládají většinu biomolekul v cytoplazmě. [28] Peroxisomy se používají k rozkladu peroxidu, který je jinak toxický. Mnoho prvoků má kontraktilní vakuoly, které shromažďují a vytlačují přebytečnou vodu, a extrusomy, které vypuzují materiál používaný k vychýlení predátorů nebo k zachycení kořisti. U vyšších rostlin zabírá většinu objemu buňky centrální vakuola, která většinou obsahuje vodu a primárně udržuje osmotický tlak.

Mitochondrie

Mitochondrie jsou organely, které se nacházejí ve všech eukaryotech kromě jedné [poznámka 1]. Mitochondrie poskytují energii eukaryotické buňce oxidací cukrů nebo tuků a uvolňováním energie jako ATP. [30] Mají dvě okolní membrány, každou fosfolipidovou dvouvrstvu, jejíž vnitřní část je složena do invaginací zvaných cristae, kde probíhá aerobní dýchání.

Vnější mitochondriální membrána je volně propustná a umožňuje téměř cokoli vstoupit do mezimembránového prostoru, zatímco vnitřní mitochondriální membrána je polopropustná, takže do mitochondriální matice umožňuje pouze některé požadované věci.

Mitochondrie obsahují vlastní DNA, která má strukturální podobnosti s bakteriální DNA a která kóduje geny rRNA a tRNA, které produkují RNA, která je strukturou bližší bakteriální RNA než eukaryotická RNA. [31] Nyní se obecně tvrdí, že se vyvinuly z endosymbiotických prokaryot, pravděpodobně proteobakterií.

Některé eukaryoty, jako jsou metamonády jako např Giardia a Trichomonasa amoebozoan PelomyxaZdá se, že postrádají mitochondrie, ale bylo zjištěno, že všechny obsahují organely odvozené od mitochondrií, jako jsou hydrogenozomy a mitosomy, a proto sekundárně ztratily své mitochondrie. [29] Energii získávají enzymatickým působením na živiny absorbované z okolního prostředí. Metamonáda Monocerkomonoidy také získal laterálním přenosem genů cytosolický systém mobilizace síry, který poskytuje shluky železa a síry potřebné pro syntézu proteinů. Normálně byla mitochondriální cesta klastru železo-síra ztracena. [29] [32]

Plastidy

Plastidy mají také rostliny a různé skupiny řas. Plastidy mají také vlastní DNA a jsou vyvinuty z endosymbiontů, v tomto případě sinic. Obvykle mají formu chloroplastů, které stejně jako sinice obsahují chlorofyl a produkují organické sloučeniny (jako je glukóza) prostřednictvím fotosyntézy. Další se podílejí na skladování potravin. Ačkoli plastidy měly pravděpodobně jediný původ, ne všechny skupiny obsahující plastidy jsou úzce příbuzné. Místo toho je některé eukaryoty získaly od ostatních prostřednictvím sekundární endosymbiózy nebo požití. [33] Zachycení a sekvestrace fotosyntetických buněk a chloroplastů se vyskytuje v mnoha typech moderních eukaryotických organismů a je známá jako kleptoplasty.

Endosymbiotický původ byl také navržen pro jádro a pro eukaryotické bičíky. [34]

Cytoskeletální struktury

Mnoho eukaryot má dlouhé štíhlé pohyblivé cytoplazmatické projekce, nazývané bičíky, nebo podobné struktury zvané řasinky. Flagella a řasinky jsou někdy označovány jako undulipodia [35] a různě se podílejí na pohybu, krmení a pocitu. Jsou složeny převážně z tubulinu. Ty jsou zcela odlišné od prokaryotických bičíků. Jsou podporovány svazkem mikrotubulů vycházejícím z centrioly, charakteristicky uspořádaných jako devět dubletů obklopujících dva singlety. Flagella také může mít vlasy nebo mastigonémy a váhy spojující membrány a vnitřní tyče. Jejich vnitřek je spojitý s cytoplazmou buňky.

Mikrofilamentální struktury složené z aktinu a proteinů vážících aktin, např. A-aktinin, fimbrin, filamin, jsou přítomny také v submembranózních kortikálních vrstvách a svazcích. Motorické proteiny mikrotubulů, např. Dynein nebo kinesin a aktin, např. Myosiny, poskytují dynamický charakter sítě.

Centrioly jsou často přítomny i v buňkách a skupinách, které nemají bičíky, ale jehličnany a kvetoucí rostliny nemají ani jedno. Obvykle se vyskytují ve skupinách, které vedou k vzniku různých mikrotubulárních kořenů. Ty tvoří primární složku cytoskeletální struktury a často se skládají v průběhu několika buněčných dělení, přičemž jeden bičík je zadržen od rodiče a druhý je od něj odvozen. Centrioly produkují vřeteno během jaderného dělení. [36]

Význam cytoskeletálních struktur je podtržen při určování tvaru buněk a jejich podstatných součástí migračních reakcí, jako je chemotaxe a chemokineze. Někteří protisté mají různé další organely podporované mikrotubuly. Patří sem radiolaria a heliozoa, které produkují axopodie používané při flotaci nebo k zachycení kořisti, a haptophyty, které mají zvláštní bičíkovitou organelu nazývanou haptonema.

Buněčná stěna

Buňky rostlin a řas, hub a většiny chromalveolátů mají buněčnou stěnu, vrstvu mimo buněčnou membránu, která poskytuje buňce strukturální podporu, ochranu a filtrační mechanismus. Buněčná stěna také zabraňuje nadměrné expanzi, když do buňky vstupuje voda. [37]

Hlavními polysacharidy tvořícími primární buněčnou stěnu suchozemských rostlin jsou celulóza, hemicelulóza a pektin. Celulózové mikrofibrily jsou spojeny přes hemicelulózové ethery za vzniku sítě celulóza-hemicelulóza, která je uložena v pektinové matrici. Nejběžnější hemicelulózou v primární buněčné stěně je xyloglucan. [38]

Existuje mnoho různých typů eukaryotických buněk, ačkoli zvířata a rostliny jsou nejznámější eukaryoty, a poskytují tak vynikající výchozí bod pro pochopení eukaryotické struktury. Houby a mnoho protistů však mají některé podstatné rozdíly.

Zvířecí buňka

Všechna zvířata jsou eukaryotická. Živočišné buňky se liší od buněk jiných eukaryot, zejména rostlin, protože postrádají buněčné stěny a chloroplasty a mají menší vakuoly. Vzhledem k nedostatku buněčné stěny se živočišné buňky mohou transformovat do různých tvarů. Fagocytární buňka může dokonce pohltit jiné struktury.

Rostlinná buňka

Rostlinné buňky se velmi liší od buněk ostatních eukaryotických organismů. Jejich charakteristickými rysy jsou:

  • Velká centrální vakuola (uzavřená membránou, tonoplastem), která udržuje turgor buňky a řídí pohyb molekul mezi cytosolem a mízou [39]
  • Primární buněčná stěna obsahující celulózu, hemicelulózu a pektin, uložená protoplastem na vnější straně buněčné membrány, je v kontrastu s buněčnými stěnami hub, které obsahují chitin, a buněčnými obaly prokaryot, ve kterých jsou hlavními strukturními molekulami peptidoglykany
  • Plasmodesmata, póry v buněčné stěně, které spojují sousední buňky a umožňují rostlinným buňkám komunikovat se sousedními buňkami. [40] Zvířata mají odlišný, ale funkčně analogický systém mezerových spojů mezi sousedními buňkami. zejména chloroplasty, organely, které obsahují chlorofyl, pigment, který dává rostlinám zelenou barvu a umožňuje jim provádět fotosyntézu a cévnaté rostliny bez semen mají v buňkách spermií pouze bičíky a centrioly. [41] Spermie cykasů a Ginkgo jsou velké, komplexní buňky, které plavou se stovkami až tisíci bičíků. [42] (Pinophyta) a kvetoucí rostliny (Angiospermae) postrádají bičíky a centrioly, které jsou přítomny v živočišných buňkách.

Houbová buňka

Buňky hub jsou podobné živočišným buňkám, s následujícími výjimkami: [43]

  • Buněčná stěna, která obsahuje chitin
  • Méně kompartmentace mezi buňkami mají hyfy vyšších hub porézní přepážky zvané septa, které umožňují průchod cytoplazmy, organel a někdy i jader, takže každý organismus je v podstatě obrovskou vícejadernou supercelou - tyto houby jsou popisovány jako koenocytární. Primitivní houby mají málo nebo žádné septy.
  • Bičíky mají pouze ty nejprimitivnější houby, chytridy.

Jiné eukaryotické buňky

Některé skupiny eukaryot mají jedinečné organely, například kyanely (neobvyklé chloroplasty) glaukofytů, [44] haptonema haptophytů nebo ejectosomy kryptomonád. Jiné struktury, jako například pseudopodia, se nacházejí v různých eukaryotických skupinách v různých formách, jako jsou lobózní amébozoany nebo retikulosa foraminiferans. [45]

Buněčné dělení obecně probíhá nepohlavně mitózou, což je proces, který umožňuje každému dceřinému jádru přijmout jednu kopii každého chromozomu. Většina eukaryot má také životní cyklus, který zahrnuje sexuální reprodukci, střídavě mezi haploidní fází, kde je v každé buňce přítomna pouze jedna kopie každého chromozomu, a diploidní fází, kde jsou v každé buňce přítomny dvě kopie každého chromozomu. Diploidní fáze je tvořena fúzí dvou haploidních gamet za vzniku zygoty, která se může rozdělit mitózou nebo podstoupit redukci chromozomů meiózou. V tomto vzoru existují značné rozdíly. Zvířata nemají vícebuněčnou haploidní fázi, ale každá generace rostlin může sestávat z haploidních a diploidních mnohobuněčných fází.

Eukaryoty mají menší poměr povrchové plochy k objemu než prokaryoty, a mají tedy nižší metabolické rychlosti a delší generační časy. [46]

Vývoj sexuální reprodukce může být prvotní a základní charakteristikou eukaryot. Na základě fylogenetické analýzy Dacks a Roger navrhli, aby ve společném předchůdci všech eukaryot byl přítomen fakultativní sex. [47] V obou je přítomna základní sada genů, které fungují při meióze Trichomonas vaginalis a Giardia intestinalis, dva organismy se dříve považovaly za nepohlavní. [48] ​​[49] Vzhledem k tomu, že tyto dva druhy jsou potomky linií, které se časně lišily od eukaryotického evolučního stromu, bylo vyvozeno, že jádrové meiotické geny, a tedy i pohlaví, byly pravděpodobně přítomny ve společném předkovi všech eukaryot. [48] ​​[49] Eukaryotické druhy se dříve považovaly za asexuální, například parazitické prvoky rodu Leishmaniabylo prokázáno, že mají sexuální cyklus. [50] Důkazy také nyní naznačují, že améby, dříve považované za asexuální, jsou starověké sexuální a že většina současných asexuálních skupin pravděpodobně vznikla nedávno a nezávisle. [51]

Ve starověku byly rozpoznány dvě linie zvířat a rostlin. Linnaeus jim dal taxonomickou hodnost Království. Ačkoli zahrnul houby s rostlinami s určitými výhradami, později se zjistilo, že jsou zcela odlišné a zaručují samostatné království, jehož složení nebylo až do 80. let zcela jasné. [52] Různé jednobuněčné eukaryoty byly původně umístěny k rostlinám nebo zvířatům, když se staly známými. V roce 1818 toto slovo vytvořil německý biolog Georg A. Goldfuss prvoci odkazovat na organismy, jako jsou ciliati, [53] a tato skupina byla rozšířena, dokud nezahrnovala všechny jednobuněčné eukaryoty a vzhledem k jejich vlastnímu království Protista od Ernsta Haeckela v roce 1866. [54] [55] Eukaryoty tedy přišly skládá se ze čtyř království:

Protisté byli chápáni jako „primitivní formy“, a tedy jako evoluční stupeň, spojené svou primitivní jednobuněčnou povahou. [55] Rozpletení hlubokých rozchodů ve stromu života skutečně začalo teprve sekvenováním DNA, což vedlo k tomu, že Carl Woese předložil systém domén spíše než království jako nejvyšší úroveň, spojující všechna eukaryotická království pod eukaryotickou doménou . [21] Současně se práce na stromu protistů zintenzivnily a stále aktivně pokračují dodnes. Bylo předloženo několik alternativních klasifikací, ačkoli v této oblasti neexistuje shoda.

Eukaryoty jsou kladem, který se obvykle hodnotí jako sestra Heimdallarchaeota v asgardském seskupení v Archaea. [56] [57] [58] V jednom navrhovaném systému jsou základními seskupeními Opimoda, Diphoda, Discoba a Loukozoa. Kořen eukaryota se obvykle hodnotí jako blízký nebo dokonce v Discoba.

Klasifikace vytvořená v roce 2005 pro Mezinárodní společnost protistologů [59], která odrážela tehdejší shodu, rozdělila eukaryoty do šesti údajně monofyletických „superskupin“. Ve stejném roce (2005) však byly vyjádřeny pochybnosti, zda některé z těchto superskupin byly monofyletické, zejména Chromalveolata [60], a přehled v roce 2006 zaznamenal nedostatek důkazů pro několik z předpokládaných šesti superskupin. [61] Revidovaná klasifikace v roce 2012 [2] rozeznává pět superskupin.

Archaeplastida (nebo Primoplantae) Suchozemské rostliny, zelené řasy, červené řasy a glaukofyty
Superskupina SAR Stramenopiles (hnědé řasy, rozsivky atd.), Alveolata a Rhizaria (Foraminifera, Radiolaria a různé další amoeboidní prvoky)
Excavata Různé bičíkovité prvoci
Amoebozoa Většina lobózních améboidů a slizových forem
Opisthokonta Zvířata, houby, choanoflageláty atd.

Existují také menší skupiny eukaryot, jejichž poloha je nejistá nebo se zdá, že spadají mimo hlavní skupiny [62] - zejména Haptophyta, Cryptophyta, Centrohelida, Telonemia, Picozoa, [63] Apusomonadida, Ancyromonadida, Breviatea a rod Collodictyon. [64] Celkově se zdá, že přestože bylo dosaženo pokroku, stále existuje velmi významná nejistota v evoluční historii a klasifikaci eukaryot. Jak řekl Roger & amp Simpson v roce 2009 „při současném tempu změn v našem chápání eukaryotického stromu života bychom měli postupovat opatrně“. [65] Nově identifikovaní protisté, domnělí, že představují nové, hluboce rozvětvené linie, jsou nadále dobře popisováni v nedávných příkladech 21. století, včetně Rhodelphis, domnělá sesterská skupina k Rhodophyta, a Anaeramoeba, anaerobní amoebaflageláty nejistého umístění. [66]

Fylogeneze

Stromy rRNA postavené v 80. a 90. letech 20. století nechaly většinu eukaryot v nevyřešené „korunní“ skupině (technicky ne skutečná koruna), která byla obvykle rozdělena podle formy mitochondriálních cristae viz korunní eukaryoty. Těch několik skupin, kterým chybí mitochondrie, se rozvětvovalo odděleně, a proto se o absenci věřilo, že je primitivní, ale toto je nyní považováno za artefakt přitažlivosti dlouhých větví a je známo, že je sekundárně ztratily. [67] [68]

Odhaduje se, že může existovat 75 odlišných linií eukaryot. [69] Většina z těchto linií jsou protisté.

Známé velikosti genomu eukaryota se pohybují od 8,2 megabáze (Mb) v Babesia bovis na 112 000–220 050 Mb v dinoflagellátu Prorocentrum micans, což ukazuje, že genom rodového eukaryota prošel během svého vývoje značnými variacemi. [69] Předpokládá se, že posledním společným předkem všech eukaryot byl fagotrofní protist s jádrem, alespoň jedním centriolem a ciliem, fakultativně aerobní mitochondrie, sex (meióza a syngamie), spící cysta s buněčnou stěnou chitinu a /nebo celulóza a peroxizomy. [69] Později endosymbióza vedla k šíření plastidů v některých liniích.

Přestože je v globální eukaryotické fylogenezi stále značná nejistota, zejména pokud jde o polohu kořene, z fylogenomických studií posledních dvou desetiletí začal vycházet drsný konsenus. [62] [70] [71] [72] [73] [74] [29] [75] [66] Většina eukaryot může být umístěna v jednom ze dvou velkých kladů nazvaných Amorphea (složení podobné hypotéze unikont ) a Diaphoretickes, který zahrnuje rostliny a většinu řasových linií. Třetí hlavní skupina, Excavata, byla v poslední klasifikaci Mezinárodní společnosti protistologů opuštěna jako formální skupina kvůli rostoucí nejistotě, zda její skupiny patří k sobě. [76] Níže uvedená navrhovaná fylogeneze zahrnuje pouze jednu skupinu vykopávek (Discoba a zahrnuje nedávný návrh, že picozoani jsou blízkými příbuznými rodofytů. [77]

V některých analýzách je skupina Hacrobia (Haptophyta + Cryptophyta) umístěna vedle Archaeplastida, [78] ale v jiných je vnořena do Archaeplastidy. [79] Několik nedávných studií však dospělo k závěru, že Haptophyta a Cryptophyta netvoří monofyletickou skupinu. [80] První z nich by mohla být sesterskou skupinou skupiny SAR, druhá shlukem s Archaeplastidou (rostliny v širším smyslu). [81]

Rozdělení eukaryot na dva primární clades, bikonty (Archaeplastida + SAR + Excavata) a unikonty (Amoebozoa + Opisthokonta), odvozené z rodového biflagelárního organismu, respektive rodového uniflagelárního organismu, bylo navrženo dříve. [79] [82] [83] Studie z roku 2012 přinesla poněkud podobné rozdělení, i když poznamenala, že výrazy „unikonty“ a „bikonty“ nebyly použity v původním smyslu. [63]

Vysoce konvergovaný a shodný soubor stromů se objevuje v Derelle et al. (2015), Ren a kol. (2016), Yang et al. (2017) a Cavalier-Smith (2015) včetně doplňujících informací, což má za následek konzervativnější a konsolidovanější strom. Je kombinován s některými výsledky společnosti Cavalier-Smith pro bazální Opimodu. [84] [85] [86] [87] [88] [73] [89] Hlavními zbývajícími spory jsou kořen a přesné umístění Rhodophyty a bikontů Rhizaria, Haptista, Cryptista, Picozoa a Telonemia, mnoho z nichž mohou být endosymbiotické eukaryoticko-eukaryotické hybridy. [90] Archaeplastida získala chloroplasty pravděpodobně endosymbiózou prokaryotického předka související s aktuálně existující sinicí, Gloeomargarita lithophora. [91] [92] [90]

Cavalier-Smithův strom

Thomas Cavalier-Smith 2010, [93] 2013, [94] 2014, [95] 2017 [85] a 2018 [96] umístí kořen eukaryotického stromu mezi Excavata (s ventrální krmnou drážkou podporovanou mikrotubulárním kořenem) a bezdrážkovou Euglenozoa , a monofyletický Chromista, korelovaný s jedinou endosymbiotickou událostí zachycení červených řas. A kol. [97] konkrétně podporuje zakořenění eukaryotického stromu mezi monofyletickou Discobou (Discicristata + Jakobida) a kladu Amorphea-Diaphoretickes.

Původ eukaryotické buňky je milníkem ve vývoji života, protože eukaryoty zahrnují všechny složité buňky a téměř všechny mnohobuněčné organismy. K nalezení první eukaryoty a jejich nejbližších příbuzných byla použita řada přístupů. The poslední společný eukaryotický předek (LECA) je hypotetický poslední společný předek všech eukaryot, které kdy žily, a byl s největší pravděpodobností biologickou populací. [101]

Eukaryoty mají řadu vlastností, které je odlišují od prokaryot, včetně endomembránového systému a unikátních biochemických drah, jako je syntéza steranu. [102] K identifikaci eukaryotických příbuzných byl v roce 2002 navržen soubor proteinů nazývaných eukaryotické podpisové proteiny (ESP): do té doby nemají žádnou homologii s proteiny známými v jiných oblastech života, ale mezi eukaryoty se zdají být univerzální. Zahrnují proteiny, které tvoří cytoskelet, komplexní transkripční aparát, systémy pro třídění membrán, jaderné póry a některé enzymy v biochemických drahách. [103]

Fosílie

Načasování této řady událostí je těžké určit, Knoll (2006) naznačuje, že se vyvinuly přibližně před 1,6–2,1 miliardami let. Někteří akritarchové jsou známí nejméně před 1,65 miliardami let a možnými řasami Grypania byl nalezen již před 2,1 miliardami let. [104] The Geosiphon-jako fosilní houba Diskagma byl nalezen v paleosolech starých 2,2 miliardy let. [105]

Organizované živé struktury byly nalezeny v černých břidlicích paleoproterozoické formace Francevillian B v Gabonu, staré 2,1 miliardy let. Eukaryotický život se v té době mohl vyvinout. [106] Fosílie, které jasně souvisejí s moderními skupinami, se začínají objevovat odhadem před 1,2 miliardami let, ve formě červených řas, ačkoli nedávné práce naznačují existenci zkamenělých vláknitých řas v povodí Vindhya, která se datuje možná od 1,6 do 1,7 miliardy před lety. [107]

Biomarkery naznačují, že alespoň kmenové eukaryoty vznikly ještě dříve.Přítomnost steranů v australských břidlicích naznačuje, že v těchto horninách ze stáří 2,7 miliardy let byly přítomny eukaryoty [102] [108], ačkoli bylo naznačeno, že mohou pocházet ze znečištění vzorků. [109]

Bez ohledu na jejich původ se eukaryoty nemusely stát ekologicky dominantní, až mnohem později byl masivní nárůst složení zinku v mořských sedimentech před 800 miliony let přičítán vzestupu značných populací eukaryot, které přednostně konzumují a začleňují zinek relativně k prokaryotům. [110]

V dubnu 2019 biologové uvedli, že velmi velký medusavirus nebo příbuzný mohl být alespoň z části zodpovědný za evoluční vznik komplexních eukaryotických buněk z jednodušších prokaryotických buněk. [111]

Vztah k Archaea

Jaderná DNA a genetický aparát eukaryot je více podobný Archaea než bakterie, což vede ke kontroverznímu návrhu, že eukaryoty by měly být seskupeny s Archaea v kladu Neomura. V jiných ohledech, jako je složení membrány, jsou eukaryoty podobné bakteriím. Byly navrženy tři hlavní vysvětlení:

  • Eukaryota vznikla úplnou fúzí dvou nebo více buněk, přičemž cytoplazma se vytvořila z bakterie a jádra z archaeonu, [112] z viru, [113] [114] nebo z předbuněčné buňky. [115] [116]
  • Eukaryota se vyvinula z Archaea a získala své bakteriální vlastnosti prostřednictvím endosymbiózy proto-mitochondrií bakteriálního původu. [117]
  • Eukaryoty a Archaea se vyvinuly odděleně od modifikované bakterie.

Alternativní návrhy zahrnují:

  • Hypotéza chronocytů předpokládá, že primitivní eukaryotická buňka byla vytvořena endosymbiózou archea a bakterií třetím typem buňky, nazývanou chronocytů. Důvodem je především skutečnost, že eukaryotické signální proteiny nebyly do roku 2002 nikde jinde nalezeny. [103]
  • Univerzálním společným předkem (UCA) současného stromu života byl složitý organismus, který spíše než rané stádium evoluce života přežil událost hromadného vyhynutí. Eukaryoty a zejména akaryoty (Bakterie a Archaea) se vyvinuly redukční ztrátou, takže podobnosti vyplývají z rozdílného zachování původních znaků. [119]

Za předpokladu, že není zapojena žádná jiná skupina, existují tři možné fylogenetie pro bakterie, archaea a eukaryota, z nichž každá je monofyletická. V následující tabulce jsou označeny 1 až 3. Hypotéza eocytů je modifikací hypotézy 2, ve které jsou Archaea paraphyletic. (Tabulka a názvy hypotéz vycházejí z Harish a Kurland, 2017. [120])

V posledních letech většina výzkumníků upřednostňuje buď tři domény (3D), nebo hypotézu o eocytech. Analýzy rRNA podporují scénář eocytů, zřejmě s kořenem eukaryota v Excavata. [100] [93] [94] [95] [85] Cladogram podporující hypotézu eocytů, umisťující eukaryota do Archaea, založený na fylogenomických analýzách Asgard archaea, je: [56] [57] [58] [10]

V tomto scénáři je skupina Asgard považována za sesterský taxon skupiny TACK, která zahrnuje Crenarchaeota (dříve pojmenované eocyty), Thaumarchaeota a další. Uvádí se, že tato skupina obsahuje mnoho eukaryotických signálních proteinů a produkuje vezikuly. [121]

V roce 2017 došlo proti tomuto scénáři k významnému potlačení tvrzením, že eukaryoty se v Archaea neobjevily. Cunha a kol. produkoval analýzy podporující tři domény (3D) nebo Woese hypotézu (2 v tabulce výše) a odmítající hypotézu eocytů (4 výše). [122] Harish a Kurland našli silnou podporu pro dřívější dvě říše (2D) nebo Mayrovu hypotézu (1 v tabulce výše), založené na analýzách kódujících sekvencí proteinových domén. Odmítli hypotézu o eocytech jako nejméně pravděpodobnou. [123] [120] Možnou interpretací jejich analýzy je, že univerzálním společným předkem (UCA) současného stromu života byl složitý organismus, který přežil evoluční zúžení, spíše než jednodušší organismus vznikající na počátku historie života. [119] Na druhé straně vědci, kteří přišli s Asgardem, svoji hypotézu znovu potvrdili dalšími asgardskými vzorky. [124]

Podrobnosti o vztahu členů asgardských archaea a eukaryot jsou stále v úvahu, [125] přestože v lednu 2020 vědci uvedli, že Candidatus Prometheoarchaeum syntrophicum, typ kultivované Asgardské archea, může být možným spojením mezi jednoduchými prokaryotickými a komplexními eukaryotickými mikroorganismy asi před dvěma miliardami let. [126] [121]

Endomembránový systém a mitochondrie

Původ endomembránového systému a mitochondrií je také nejasný. [127] The fagotrofní hypotéza navrhuje, aby membrány eukaryotického typu postrádající buněčnou stěnu vznikly jako první, s rozvojem endocytózy, zatímco mitochondrie byly získány požitím jako endosymbionti. [128] The syntrofická hypotéza navrhuje, aby se proto-eukaryot spoléhal na proto-mitochondrii pro jídlo, a tak nakonec rostl, aby ji obklopil. Zde membrány vznikly po pohlcení mitochondrií, částečně díky mitochondriálním genům (vodíková hypotéza je jedna konkrétní verze). [129]

Ve studii využívající genomy ke konstrukci supertree, Pisani a kol. (2007) naznačují, že spolu s důkazy, že nikdy neexistoval eukaryot bez mitochondrií, se eukaryoty vyvinuly ze syntrofie mezi archeami blízce příbuznými Thermoplasmatales a alphaproteobacterium, pravděpodobně symbiózou poháněnou sírou nebo vodíkem. Mitochondrion a jeho genom jsou pozůstatkem alfaproteobakteriálního endosymbiontu. [130] Většina genů ze symbiontu byla přenesena do jádra. Tvoří většinu metabolických a energeticky souvisejících cest eukaryotické buňky, zatímco informační systém (DNA polymeráza, transkripce, translace) je zachován z archea. [131]

Hypotézy

Byly navrženy různé hypotézy, jak vznikly eukaryotické buňky. Tyto hypotézy lze rozdělit do dvou odlišných tříd - autogenní modely a chimérické modely.

Autogenní modely

Autogenní modely navrhují, aby nejprve existovala proto-eukaryotická buňka obsahující jádro a později získané mitochondrie. [132] Podle tohoto modelu vyvinula velká prokaryota ve své plazmatické membráně invaginace, aby získala dostatečnou povrchovou plochu pro obsluhu svého cytoplazmatického objemu. Jak se invaginace funkčně diferencovaly, některé se staly oddělenými kompartmenty - což dalo vznik endomembránovému systému, včetně endoplazmatického retikula, golgiho aparátu, jaderné membrány a jednoduchých membránových struktur, jako jsou lysosomy. [133]

Mitochondrie jsou navrženy tak, aby pocházely z endosymbiózy aerobního proteobakteria, a předpokládá se, že všechny eukaryotické linie, které nezískaly mitochondrie, vyhynuly. [134] Chloroplasty pocházejí z jiné endosymbiotické události zahrnující sinice. Protože všechny známé eukaryoty mají mitochondrie, ale ne všechny mají chloroplasty, sériová endosymbiotická teorie navrhuje, aby mitochondrie byly na prvním místě.

Chimerické modely

Chimerické modely tvrdí, že původně existovaly dvě prokaryotické buňky - archeon a bakterie. Zdá se, že jejich nejbližšími příbuznými jsou Asgardarchaeota a (vzdáleně příbuzní) alphaproteobacteria zvané proto-mitochondrion. [135] [136] Tyto buňky prošly procesem slučování, a to buď fyzickou fúzí, nebo endosymbiózou, což vedlo k tvorbě eukaryotické buňky. V rámci těchto chimérických modelů některé studie dále tvrdí, že mitochondrie pocházejí z předchůdce bakterií, zatímco jiné zdůrazňují roli endosymbiotických procesů za původem mitochondrií.

Hypotéza naruby

Hypotéza naruby naznačuje, že fúze mezi volně žijícími bakteriemi podobnými mitochondriím a archaeonem v eukaryotickou buňku probíhala postupně po dlouhou dobu, místo v jediné fagocytotické události. V tomto scénáři by archeon zachytil aerobní bakterie buněčnými výčnělky a poté je udržel naživu, aby z nich místo trávení čerpal energii. V počátečních fázích by byly bakterie stále částečně v přímém kontaktu s prostředím a archaeon by jim nemusel poskytnout všechny požadované živiny. Ale nakonec by archaeon zcela pohltil bakterie, čímž by se vytvořily vnitřní membránové struktury a jaderná membrána. [137]

Předpokládá se, že archaeanská skupina zvaná halophiles prošla podobným postupem, kdy získala od bakterie až tisíc genů, mnohem více než konvenčním horizontálním přenosem genů, který se často vyskytuje v mikrobiálním světě, ale že se oba mikrobi oddělili znovu předtím, než se spojili do jediné buňky podobné eukaryotům. [138]

Rozšířená verze hypotézy naruby navrhuje, aby eukaryotická buňka byla vytvořena fyzickými interakcemi mezi dvěma prokaryotickými organismy a že poslední společný předek eukaryot získal svůj genom z celé populace nebo komunity mikrobů účastnících se kooperativních vztahů, aby se dařilo a přežilo v jejich prostředí. Genom z různých typů mikrobů by se navzájem doplňoval a občasný horizontální přenos genů mezi nimi by byl do značné míry ku prospěchu. Tato akumulace prospěšných genů dala vzniknout genomu eukaryotické buňky, který obsahoval všechny geny potřebné pro nezávislost. [139]

Sériová endosymbiotická hypotéza

Podle sériové endosymbiotické teorie (kterou prosazuje Lynn Margulis), spojení pohyblivé anaerobní bakterie (jako Spirochaeta) a termoacidofilní crenarchaeon (jako Termoplazma který je sulfidogenní povahy) dal vznik dnešním eukaryotům. Toto spojení vytvořilo pohyblivý organismus schopný žít v již existujících kyselých a sirných vodách. Je známo, že kyslík způsobuje toxicitu pro organismy, které postrádají požadované metabolické stroje. Archeon tedy poskytl bakterii vysoce prospěšné redukované prostředí (síra a síran byly redukovány na sulfid). V mikroaerofilních podmínkách byl kyslík redukován na vodu, čímž se vytvořila platforma vzájemného prospěchu. Bakterie na druhé straně přispěla nezbytnými fermentačními produkty a akceptory elektronů spolu se svou pohyblivostí do archaeonu, čímž získala pro organismus plaveckou pohyblivost.

Z konsorcia bakteriální a archeaální DNA vznikl jaderný genom eukaryotických buněk. Spirochety daly vznik pohyblivým rysům eukaryotických buněk. Endosymbiotické sjednocení předků alphaproteobacteria a cyanobacteria vedlo ke vzniku mitochondrií a plastidů. Například, Thiodendron je známo, že vznikly ektosymbiotickým procesem založeným na podobné syntrofii síry existující mezi těmito dvěma druhy bakterií - Desulfobacter a Spirochaeta.

Taková asociace založená na pohyblivé symbióze však nikdy nebyla prakticky pozorována. Rovněž neexistují žádné důkazy o tom, že by se archaejci a spirochety přizpůsobili intenzivnímu prostředí na bázi kyselin. [132]

Vodíková hypotéza

V hypotéze vodíku vedla symbiotická vazba anaerobního a autotrofního methanogenního archaona (hostitele) k alphaproteobacterium (symbiont) k vzniku eukaryot. Hostitel používal vodík (H.2) a oxid uhličitý (CO
2) produkovat metan, zatímco symbiont, schopný aerobního dýchání, vyloučil H2 a CO
2 jako vedlejší produkty procesu anaerobní fermentace. Methanogenní prostředí hostitele fungovalo jako jímka pro H2, což vedlo ke zvýšené bakteriální fermentaci.

Přenos endosymbiotického genu fungoval jako katalyzátor pro hostitele k získání metabolismu uhlohydrátů symbiontů a jeho heterotrofní povaha. Následně byla schopnost hostitele vytvářet metan ztracena. Počátky heterotrofní organely (symbiont) jsou tedy totožné s počátky eukaryotické linie. V této hypotéze je přítomnost H2 představuje selektivní sílu, která kovala eukaryoty z prokaryot. [129]

Hypotéza syntrofie

Hypotéza syntrofie byla vyvinuta na rozdíl od vodíkové hypotézy a navrhuje existenci dvou symbiotických událostí. Podle tohoto modelu byl původ eukaryotických buněk založen na metabolické symbióze (syntrofii) mezi methanogenním archeonem a deltaproteobacteriem. Tuto syntrofickou symbiózu zpočátku usnadňoval H2 přenos mezi různými druhy v anaerobním prostředí. V dřívějších fázích se členem této integrace stalo alphaproteobacterium, které se později vyvinulo v mitochondrii. Genový přenos z deltaproteobacterium do archaeonu vedl k tomu, že se methanogenní archaon vyvinul v jádro. Archeon představoval genetický aparát, zatímco deltaproteobacterium přispívalo k cytoplazmatickým rysům.

Tato teorie zahrnuje dvě selektivní síly v době vývoje jádra

  • přítomnost metabolického dělení, aby se zabránilo škodlivým účinkům souběžné anabolické a katabolické buněčné cesty, a
  • prevence abnormální biosyntézy proteinů v důsledku rozsáhlého šíření intronů v archaealních genech po získání mitochondrií a ztrátě metanogeneze. [Citace je zapotřebí]

6 a více scénářů sériové endosymbiózy

Byl navržen komplexní scénář 6+ sériových endosymbiotických událostí archaea a bakterií, ve kterých byly mitochondrie a asgardská související archeota získány v pozdní fázi eukaryogeneze, případně v kombinaci, jako sekundární endosymbiont. [140] [141] Nálezy byly pokárány jako artefakt. [142]


Ekologie a vývoj dvoufázových životních cyklů

Sexuální eukaryoty procházejí střídáním haploidních a diploidních jaderných fází. V některých organismech jak haploidní, tak diploidní fáze procházejí somatickým vývojem a existují jako nezávislé entity. Navzdory nedávné pozornosti zůstávají mechanismy, kterými se tyto dvoufázové životní cykly vyvíjejí a přetrvávají, nejasné. Jedno vysvětlení, kterému se dostalo malé teoretické pozornosti, je, že haploid -diploidní organismy mohou efektivněji využívat své prostředí prostřednictvím mezerové diferenciace dvou ploidických fází. I u izomorfních druhů, u nichž jsou dospělí morfologicky podobní, mohou malé rozdíly ve fázi dospělosti nebo mezi mladistvými hrát důležitou ekologickou roli a pomáhají udržovat haploid -diploidii. Vyvíjíme genetický model pro evoluci životních cyklů, který zahrnuje růst závislý na hustotě. Zjistili jsme, že ekologické rozdíly mezi haploidní a diploidní fází mohou vést k vývoji a udržování dvoufázových životních cyklů za široké škály podmínek. Odhady parametrů odvozené z demografických údajů o populaci Gracilaria gracilis, haploid -diploidní červená řasa s izomorfním střídáním generací, se používají k prokázání, že ekologické vysvětlení haploid -diploidie je věrohodné, i když mezi dospělými existují jen nepatrné morfologické rozdíly.


3.4.4 Genetická rozmanitost a adaptace

Příležitosti pro rozvoj dovedností

Genetická rozmanitost jako počet různých alel genů v populaci.

Genetická rozmanitost je faktorem, který umožňuje přirozený výběr.

Principy přirozeného výběru v evoluci populací.

  • Náhodná mutace může mít za následek nové alely genu.
  • Mnoho mutací je škodlivých, ale v určitých prostředích může nová alela genu prospět svému majiteli, což vede ke zvýšenému reprodukčnímu úspěchu.
  • Výhodnou alelu dědí členové další generace.
  • Výsledkem je, že v průběhu mnoha generací se nová alela v populaci zvyšuje.

Směrová selekce, příkladem je rezistence bakterií na antibiotika, a stabilizační selekce, příkladem jsou porodní hmotnosti člověka.

Výsledkem přirozeného výběru jsou druhy, které jsou lépe přizpůsobeny svému prostředí. Tyto úpravy mohou být anatomické, fyziologické nebo behaviorální.

Studenti by měli být schopni:

  • pomocí neznámých informací vysvětlete, jak výběr způsobuje změny v populaci druhu
  • interpretovat data týkající se účinku selekce na vyvolání změn v populaci
  • ukázat, že adaptace a výběr jsou hlavními faktory evoluce a přispívají k rozmanitosti živých organismů.

Při práci s daty týkajícími se velkého počtu bakterií v kultuře mohli studenti použít logaritmickou stupnici.


Potřebuje buněčná biologie fyziky?

Buňky jsou základními jednotkami života. Na základní úrovni má buňka a rsquos primární funkce růst, replikovat a dělit. Přežití, alespoň po dostatečně dlouhou dobu, je také nesmírně důležité pro dosažení těchto dalších funkcí. Jako lidé však chceme více. Nechceme pouze, aby nám naše buňky poskytovaly dostatečnou délku života, kterou můžeme reprodukovat, a chtěli bychom si také zaručit dlouhou a zdravou existenci. Tyto touhy jsou však příliš často zmařeny nemocí. Ačkoli nemoci mohou být způsobeny řadou různých faktorů, jako jsou molekulární toxiny, získané nebo zděděné genetické vady, viry a bakterie, které všechny působí v různých měřítcích (molekulární, buněčné a dokonce i mnohobuněčné), ve většině případů nemoc představuje proces na buněčné úrovni, tj. většina nemocí je v jejich jádru narušení buněčných funkcí, které pak nakonec způsobí postižení nebo selhání orgánu nebo organismu.

Vzhledem k tomu, že lidé by raději žili bez nemoci, není divu, že biologický a zdravotní výzkum je vysoce respektován nebo že národní ústavy zdraví mají hlubší kapsy než National Science Foundation. Nedávný technologický pokrok nám navíc umožnil podívat se na molekuly a buňky mnohem podrobněji. Nyní jsme schopni vyřešit a kvantifikovat na subcelulární a dokonce molekulární úrovni časoprostorovou dynamiku molekul a procesů uvnitř buněk. Molekulární a buněčná biologie se proto stala přístupnější výzkumnému paradigmatu, které spojuje experimentální a teoretická zkoumání, a konkrétněji výzkumu, který je zaměřen na přesný popis toho, jak se věci pohybují v prostoru a čase. Není proto divu, že fyziky by přitahoval buněčný biologický výzkum.

Minulost však ukázala, že buněční biologové jsou extrémně schopní dosáhnout velkého pokroku, aniž by fyzici příliš potřebovali (kromě toho, že potřebují fyziky a inženýry k vývoji mnoha technologií, které používají).Vyžadují nová data a nové technologické možnosti z pohledu fyziků a rsquosů analýzu mechanismů buňky? Využívá fyzika buněčnou biologii?

Sloni v místnosti: genetika, proteomika a biologie systémů

Je těžké přeceňovat roli, kterou v biologii za posledních 30 let sehrála genetika. Molekulární a buněčná biologie se ve velmi velké míře týká proteinů a jejich interakcí. Schopnost narušit konkrétní protein uvnitř buňky a poté pozorovat důsledky vedla k úžasnému počtu pokroků v našem chápání rolí určitých proteinů v buněčné funkci. Skoro by se zdálo, že kdybychom mohli sestavit seznam všech proteinů uvnitř buňky (pole zvané proteomika) a určit jejich reakce a reakční rychlosti, pochopili bychom, jak buňka funguje. Díky vysoce výkonným metodám jsme nyní schopni rychle měřit transkripty DNA a hladiny proteinů a korelovat je s pozorovanými charakteristikami buněk (& ldquophenotypes & rdquo) [1]. Nashromáždili jsme spoustu dat a čím více jich dáme dohromady, tím jsou data složitější a obtížnější na interpretaci.

Pro buňku s poměrně malým genomem, jako jsou kvasinky Saccharomyces cerevisiae, který může produkovat mezi 104 a 105 proteiny, počet možných proteinových interakcí je 105 & ndash 10 7 [1]. I když vezmeme v úvahu jedinou buněčnou funkci (například schopnost eukaryotické buňky pohybovat se po substrátu), chemická reakční síť, která toto chování popisuje, se zdá být nesrozumitelná (obr. 1). Nadějí systémové biologie je použít přístup na vyšší úrovni k pochopení těchto systémů, analyzovat reakční sítě na funkčnější úrovni a poskytnout rámec pro sestavování modelů biologických drah ze systematických měření [2]. V této diskusi chybí jakákoli zmínka o fyzice zapojené do buněčných procesů. Je možné, že fyzika, se kterou se buňky musí vypořádat, je podřízená reakcím, tj. Hladiny bílkovin a kinetika biochemických reakcí určují chování systému a všechny fyzikální procesy, které buňka musí dosáhnout, jsou čistě důsledky biochemie. Nebo je možné, že buněčnou biologii nelze plně pochopit bez fyziky?

Několik příkladů úspěšné fyzikální biologie

Úspěchy genetiky a biochemie při popisu buněčných funkcí zastínily důležitý bod: Buňky nejsou izolované pytle proteinů. Vnitřek buňky má strukturu a tato struktura není statická. Buňky navíc musí žít v prostředí a interagovat s ním, což je často nepředvídatelné a ne vždy příznivé. Aby buňky mohly růst, hýbat se a přežít, musí být schopné produkovat sílu. To znamená, že na fyzice záleží, alespoň na nějaké úrovni.

Molekulární motory

Uvnitř buněk jsou bílkoviny, které přeměňují chemickou energii na užitečnou práci. Například kineziny a dyneiny přepravují náklad kolem buňky. Molekuly myosinu se mohou vázat na aktinová vlákna a vyvíjet síly, díky čemuž fungují naše svaly. Rotují jiné molekuly, například protein, který vytváří molekuly, které jsou hlavním palivem našich buněk. Obecná metoda, kterou tyto molekulární motory fungují, je prostřednictvím Brownova mechanismu rohatky [3]. Zatímco klasická Brownova ráčna ve skutečnosti nefunguje, molekulární motory využívají energie molekulární vazby, aby splnily druhý termodynamický zákon. Vazba iontu nebo molekuly (jako je ATP) na motor obvykle vede ke konformační změně proteinu. Tato konformační změna může v motoru působit jako silový zdvih. Hydrolýzou ATP nebo uvolněním vázaného iontu se pak motor vrátí do původního stavu, čímž se dokončí cyklus (nebo v případě rotačních motorů vazba a uvolnění obvykle vytvoří pouze dílčí krok úplné rotace).

Protože tyto molekuly fungují jako motory, nejlepší způsob, jak je charakterizovat, je jejich vztah rychlosti síly. Metody optického odchytu a další biofyzikální experimenty poskytly kvantitativní informace o vztahu rychlosti síly pro mnoho z těchto motorů, jako je kinezin [4], myosin [5] [Obr. 2 (a)], bakteriální bičíkový motor [6] a portálový motor bakteriofága, který balí DNA do viru [7]. Tyto experimenty spolu s dalšími biofyzikálními měřeními molekulárních motorů a strukturálními informacemi o proteinech nám umožňují představit si možné způsoby, jak mohou tyto motory fungovat. Poté pomocí modelování můžeme tyto hypotézy otestovat a určit, zda by navrhovaný mechanismus mohl fungovat, což vedlo k jasnému obrazu funkce myosinu [8], kinesinu [9], ATP syntázy [10] a bičíkového motoru [11]. Dynein však zůstává matoucí [12]. Je zajímavé, že kombinace výsledků těchto typů modelů a experimentů s více makroskopickým pohledem vedla k modelu, který zachycuje chování svalů [13].

Buněčný pohyb

Další zřejmou a uznávanou rolí fyziky v buněčné biologii bylo porozumění pohybu buněk nebo určení mechanismů, kterými se buňky pohybují (oba jsou soustředěny pod záhlavím pohyblivost buněk). Počet různých způsobů, jak buňky zjistily, jak se pohybovat, je ohromující. Mohou se plazit, klouzat, plavat a škubat. A pro každý z těchto typů motility existuje mnoho různých mechanismů, které dosahují stejného cíle.

Plazí se mnoho živočišných buněk, včetně rakovinotvorných buněk, bílých krvinek a kožních buněk, které pomáhají při hojení ran. Ukázalo se, že obecný postup vyžaduje polymeraci vláknitého aktinu na přední straně buňky, adhezi k okolnímu prostředí a stahovací mechanismus, který produkuje sílu potřebnou k tahání zbytku buňky dopředu. Fyzici vytvořili a stále produkují informativní popis všech tří těchto procesů. Například aktinová polymerace, která produkuje sílu, která vytlačuje přední část buňky, je dalším mechanismem Brownovy rohatky [14]. Přilnavost na substrát je zprostředkována proteiny, které překlenují buněčnou membránu a mohou se vázat (nepřímo) na aktin. Zatímco tyto interakce byly často považovány za tuhé vazby mezi cytoskeletem a prostředím, teoretické úvahy o biochemii a silové závislosti adhezních proteinů ve skutečnosti naznačují, že výsledná adhezivní síla se chová spíše jako viskózní odporová síla než jako tuhé připojení [15, 16]. Původně se předpokládalo, že kontrakce, která pohání zadní část buňky, pochází z akto-myosinu, jako ve svalu [17]. Myosin však s největší pravděpodobností není jediným mechanismem, který hraje. Mezi další mechanismy, které byly navrženy, patří chemicky indukovaná kontrakce a unbundling nebo depolymerizace cytoskeletu [18]. Nyní je možné teoreticky testovat chování těchto mechanismů pomocí simulací celých buněk. Porovnáním předpovědí takových modelů s experimenty může být brzy možné určit, jak se buňky táhnou dopředu.

Jak buňky plavou

Ve většině případů je plavání poháněno aktivním pohybem vláknových předmětů. Bakterie a archebakterie obvykle rotují dlouhými tenkými šroubovicovými vlákny pomocí molekulárního rotačního motoru, který je poháněn iontovým tokem. Motor je připevněn na jednom konci vlákna a ukotven do vnitřní membrány buňky. Eukaryotičtí plavci, na druhé straně, používají vlákna, která se vlní nebo rotují, poháněná dyneinovými motory a jsou rozložena po celé délce vlákna. G. I. Taylor a Edward Purcell byli první, kdo uvažoval o mechanických principech tekutin, které umožňují mikroorganismům pohyb viskózními tekutinami. Howard Berg, motivovaný jejich prací, byl jedním z průkopníků kvantitativního biofyzikálního zkoumání plavání bakterií a ukázal, že Escherichia coli plave sérií běhů a pádů, což umožňuje bakteriím použít náhodnou procházku k pohybu prostředím, zatímco jiné ukazovaly roli bakteriálního bičíku v pohyblivosti [6]. Podobně Charles Brokaw a spolupracovníci prováděli kvantitativní vyšetřování plavání savčích spermií [19]. Oblast plavání mikroorganismů zůstala aktivním polem pro fyzické biology. V posledních letech se práce zaměřila na řadu zajímavých témat, jako je optimalizace různých plaveckých zdvihů s nízkým Reynoldsovým číslem [20 & ndash22] a účinky plavání v blízkosti povrchů [23 & ndash25]. Chlamydomonas nedávno bylo ukázáno, že používá mechanismus plaveckého běhu a bubnu, který může být poháněn hlučnými oscilacemi jeho bičíků [26,27]. Dvěma oblastem, kterým se začíná věnovat velká pozornost, je kolektivní plavání [28] a plavání v nenewtonovském prostředí [29 & ndash33]. První popisuje zdánlivě organizované nebo někdy turbulentní chování, které přirozeně vzniká, když skupiny buněk plavou blízko sebe. Ale ze všech nedávných prací o plavání může být chování plavců v nenewtonském prostředí nejrelevantnější pro lidské zdraví a nemoci. Buňky spermií například musí procházet viskoelastickou cervikální tekutinou [34,35] a invazní bakterie musí manévrovat sítěmi kolagenových vláken naší kůže, pronikat vrstvami buněk [36] a pohybovat se hlenem v našich žaludcích [37 ].

Růst a dělení buněk

Aby se buňky rozdělily, musí oddělit kopie své DNA a sevřít mateřskou buňku na dvě dcery. Proces separace chromozomů v eukaryotech je řízen vřetenem mikrotubulů. Ačkoli o tomto procesu existuje velké množství experimentálních údajů, chybí pochopení vlastní montáže a mechaniky procesu. Stochastické simulace nedávno odhalily některé z možných procesů podílejících se na tvorbě vřetena [38] [Obr. 2 (c)] a mechanický model ukázal rovnováhu sil zapojenou do určování tvaru vřetena [39]. To, jak bakterie rozdělují kopie genomu, je však méně jasné [40]. Pro zúžení buňky během dělení používají bakterie a eukaryotické buňky dynamický kruh proteinů. U eukaryot se věří, že zúžení kruhu je způsobeno myosinem, a v důsledku toho nebylo provedeno mnoho modelování cytokinetického kruhu. U bakterií se však zdá, že nemusí být zapojen motorický protein, jako je myosin, a fyzici považovali za hnací síly zúžení jiné mechanismy, jako je kondenzace kruhových proteinů [41] a konformační změny podjednotky [42]. Až donedávna byla malá pozornost věnována fyzickým mechanismům, kterými buňky rostou. S objevem, že bakteriální tvar je přísně kontrolován, fyzici začali přemýšlet o tom, co fyzika řídí růst a tvar buněk [43 & ndash45]. Toto pole zůstává v plenkách, ale v blízké budoucnosti pravděpodobně ukáže významný pokrok.

Jak buňky interagují s prostředím

Interakce buněk s prostředím je jednou z dalších oblastí, kde fyzika nepochybně hraje významnou roli v buněčné biologii. Mnoho plazivých buněk dokáže vycítit a reagovat na ztuhlost okolního prostředí, které je známé jako mechanické snímání. Před více než 25 lety bylo zaznamenáno, že fibroblasty, které byly naneseny na sklo, byly více rozšířené a méně protáhlé než fibroblasty pěstované v trojrozměrných kolagenových matricích a buňky pěstované na čtvercových adhezivních ostrovech mají svazky aktinových vláken, které leží podél diagonál čtvercová buňka. Nověji bylo pozorováno, že buněčnou proliferaci může ovlivnit tuhost substrátu [46 & ndash49]. Pohyblivost buněk je také ovlivněna tuhostí substrátu. Fibroblasty například migrují pomaleji na tuhých substrátech než na měkkých [50], ale řízená motilita je na tuhých substrátech trvalejší než na měkkých [51]. Ještě překvapivější je, že když se fibroblasty setkají s hranicí mezi tvrdým a měkkým substrátem, chovají se odlišně podle toho, na které straně hranice začaly [51]. Buňky na měkké straně hranice se přesunou do tvrdé oblasti, zatímco buňky, které jsou na tvrdé straně hranice, se buď budou pohybovat podél hranice, nebo se od ní plazit. Buňky navíc mohou skutečně upravit tuhost svého cytoskeletu, aby se pokusily přizpůsobit okolnímu prostředí [52]. Předpokládá se, že tyto schopnosti hrají roli v tom, jak buňky reagují, když jsou v různých částech těla, protože tuhost tkáně se v různých částech těla liší [53]. Je zajímavé spekulovat, že vývoj organismu může být více řízen mechanickými podněty než difúzí chemikálií (což bylo dříve navrženo). Jak jsou buňky schopny vnímat a reagovat na prostředí, je stále neznámé [54], nicméně nedávný teoretický model, který spojuje kinetiku proteinů s aplikovanou silou, může vysvětlit část tohoto procesu [16].

Potenciální úskalí fyziků v biologii

Před patnácti lety, v době, kdy jsem začal pracovat v biofyzice, probíhala velmi malá spolupráce mezi fyziky a buněčnými biology, zvláště pokud fyzici byli teoretici. Teorie byla a stále je do značné míry slovem, kterému je třeba se v přítomnosti biologů vyvarovat. Ti z nás, kteří používají matematiku a počítače, aby se pokusili porozumět tomu, jak fungují buňky, si obvykle říkají modeláři místo teoretiků. Moje podezření je, že mnoho z prvních fyziků a matematiků, kteří se pokusili vyvinout modely fungování biologie, se pokusilo být příliš abstraktní nebo příliš obecné. Jako fyzici se rádi pokoušíme najít univerzální zákony, a přestože v buněčné biologii nepochybně existují obecné principy, je pravděpodobné, že neexistují žádná skutečná univerzální pravidla. Evoluce nemusí hledat jen jeden způsob, jak něco udělat, ale častěji pravděpodobně najde mnoho. Spíše než hledat obecnosti budeme biologii lépe sloužit, pokud se budeme zabývat specifiky. Jak údajně řekl Aharon Katchalsky, který se do značné míry zasloužil o to, že do biologie nepřináší nerovnovážnou termodynamiku, & ldquoJe jednodušší vytvořit teorii všeho než teorii něčeho. & Rdquo

V posledních letech odvedli fyzici mnohem lepší práci při řešení konkrétních problémů v biologii. Mezi oběma komunitami však stále existuje předěl. Dobrá fyzikální biologie, která vychází z fyzikální komunity, často zůstává bez povšimnutí nebo je podceňována. Břemeno na nás spočívá v řádném zprostředkování naší práce tak, aby byla přístupná biologům. Musíme vyvinout vědomé úsilí při komunikaci a šíření našich výsledků. K tomuto účelu slouží dva užitečné přístupy: publikovat v časopisech s širším publikem, které se dostanou do obou komunit, a v článcích, které obsahují teoretické analýzy, poskytnout kvalitativní popis modelování v hlavním textu a ponechat více matematických podrobností pro přílohy nebo doplňkový materiál (další diskuse na toto téma viz odkaz [55]). Je také velmi důležité udržovat a budovat nová spojení mezi fyziky a biology.

Existuje ještě jedna obava, kterou v sobě skrývám. Obávám se, že se budu mylně domnívat, že jde o úspěšné počítačové simulace a porozumění. Za posledních 30 let se výpočetní výkon, který má člověk na dosah ruky, zvýšil o řády. Nyní jsme schopni simulovat stovky spojených ODE popisujících velké biochemické sítě. Můžeme je vyřešit ve dvou a třech dimenzích libovolnými transportními mechanismy. Můžeme také reprodukovat v silico stochastická dynamika tisíců interagujících proteinů. Jsme stále blíže k schopnosti simulovat, molekulu po molekule, rozumný zlomek buňky. Pak se ale zamyslím nad mírnými pokroky, kterých tato vyšetřování v našem chápání fungování buněk dosáhla. Zdá se, že nás Turing se svou analytickou analýzou reakčně-difúzních systémů posunul dále dopředu, než jsme se posunuli od té doby. Skoro by se zdálo, že existuje malá nebo žádná korelace mezi výkonem počítače a skutečným vědeckým pokrokem.

Vize budoucnosti

I když nevím, jakým směrem se bude ubírat biofyzika, můj současný dojem je, že fyzici budou mít největší úspěch, když se pokusí poskytnout jednodušší pohled na ohromující složitost, kterou vidíme v buněčné biologii. Nakonec se vyvinuly masivní propojené biochemické sítě, aby se dosáhlo spočitatelného počtu funkcí, a navíc je část složitosti nadbytečná, prostředek pro sebezáchovu tváří v tvář mutacím a drsnému prostředí. Proto může být užitečné zaměřit naši pozornost spíše na úroveň funkcí než na úroveň proteinů. Redukcionismus není vždy užitečný. Fyzici si velmi dobře poradili s určováním, jaké detaily jsou důležité a které nikoli.

Existují nejméně dva způsoby, jak toho dosáhnout. První je prozkoumat chování na vysoké úrovni a extrapolovat obecné zásady. Vezměme si například klasický příběh Newtona, podle kterého byl gravitační zákon intuitivně padán z jablka. Ať už je příběh pravdivý nebo ne, Newton dokázal určit obecné zákony pro pochopení makroskopického chování (pokud se makroskopický objekt nepohybuje příliš rychle). Na podrobnostech kvantové mechaniky a mezimolekulárních sil mezi atomy na popisu letu baseballu na jeho trase z ruky džbánu a rsquos na čekajícího netopýra ve skutečnosti nezáleží mnohem více. A teď zvažte tuto masu vzduchu, která obklopuje putující míč [obr. 3 písm. A)]. Opět tolik nezáleží na detailech molekulárních interakcí nebo dokonce na identitě molekulárních složek vzduchu. Mezi statistickou mechanikou a mechanikou tekutin můžeme získat mnohem lepší popis objemového chování vzduchu, než bychom mohli, kdybychom uvažovali o vzduchu na zásadnější úrovni. Na úrovni tekutiny se molekulární detaily průměrují dohromady do mnohem menší sady parametrů sypkého materiálu, jako je viskozita nebo koeficient tepelné roztažnosti. Právě tyto objemové parametry určují průběh létajícího baseballu.

Jako příklad jsme s Pilhwou Lee nedávno pracovali na modelu, který by popsal fyziku, která se podílí na hojení ran. Když je organismus zraněn, epiteliální buňky lezou, aby vyplnily zraněnou oblast. Experimentální metodou pro zkoumání tohoto procesu je pěstování monovrstvy epiteliálních buněk na substrátu a potom k & ldquowound & rdquo vrstvu pomocí skalpelu nebo nějakého jiného předmětu seškrábnout oblast buněk.Pascal Silberzan a spolupracovníci ukázali, že pohyb buněk během hojení ran není triviální a zahrnuje řád dlouhého dosahu a komplexní buněčné toky [56]. Na základě těchto pozorování a analogie mezi prolézajícími buňkami a kolektivním plaváním bakterií jsme navrhli model, který zachycuje mnoho funkcí, které jsou pozorovány při testech hojení ran. Navrhujeme, aby za většinu procesů zapojených do hojení ran byly zodpovědné dva dominantní fyzikální atributy: (i) dipólová povaha distribuce napětí procházející buňky a (ii) adheze buňka-buňka. Tento model absorbuje veškerou komplexní biochemii a dynamiku aktinu uvnitř buňky do dvou parametrů, které popisují stres, který buňka vyvíjí na své okolí, a lze ukázat, že dynamika adheze buňka-buňka vede k viskoelastickým vazbám mezi buňkami [obr. 3 písm. B)]. Proto tam, kde se mnoho skupin intenzivně soustředilo na komplexní biochemické interakce uvnitř buňky, na funkční úrovni (tj. Hojení rány), mnoho molekulárních detailů může působit pouze k regulaci několika objemných fyzikálních parametrů.

Pro biologii a zvláště medicínu však nebude stačit pouze rozvíjet neredukční teorie buněčných funkcí, ale bude také nutné vypočítat efektivní parametry teorií z hlediska skutečných interakcí na molekulární úrovni. (Další úkol, ke kterému se fyzikové dobře hodí.) Současné paradigma léčby nemocí je založeno na molekulách. Vyvíjíme léky, které interagují s proteiny nebo je nahrazují proteiny, které naše těla vyrábějí, nebo nejsou vyráběny. Hledáme jedy, které se specificky zaměřují na rakovinné buňky. Pacienti s Alzheimerovou chorobou a rsquos jsou léčeni molekulami, které zabraňují rozpadu acetylcholinu, chemikálie zapojené do učení a paměti. A některá onemocnění, jako je cystická fibróza, lze dokonce léčit nahrazením defektních genů u jedince funkční kopií genu. Biologický výzkum je navíc silně svázán s genetickým přístupem. Specifický protein je vyřazen, up-regulován nebo down-regulován a je určen výsledný fenotyp. Abychom byli opravdu úspěšní, musíme poskytnout porozumění biologii, která zasahuje do rokle od biochemie a genetiky po buněčné funkce, a dělat to tak, aby naše modely a experimenty byly nejen informativní o fyzice, ale přímo ovlivňovaly biologii.

Buněčná biologie čeká na tyto popisy. A může se stát, že fyzici dokážou nejlépe vykreslit tato spojení mezi popisem buněčné biologie na úrovni proteinů, který v současnosti dominuje, a intuitivnějším, přesto kvantitativním popisem chování buněk a jejich reakcí na prostředí.

Poděkování

Autor by chtěl poděkovat S. X. Sunovi, G. Huberovi a I. Moraruovi za užitečné diskuse.


Výsledek

Fylogenetické analýzy.

Abychom usoudili na raný vývoj sinic, zrekonstruovali jsme Bayesovské fylogenetické stromy pomocí sekvenčních dat 16S rRNA. Fylogenomický přístup by poskytl zavádějící výsledky, protože dostupné sekvence genomu sinic jsou doposud silně zkreslené směrem k jednobuněčným druhům. Navíc několik mnohobuněčných druhů, které byly plně sekvenovány, je fylogeneticky úzce příbuzných a srovnání těchto druhů pravděpodobně neposkytne žádné informace o starověkém původu mnohobuněčnosti u sinic (17). V předchozí studii (5) byl zrekonstruován fylogenetický strom s 1 220 sekvencemi sinic, ze kterého byla odebrána podskupina taxonů, která představuje zkoumanou diverzitu tohoto kmene. Zde jsme použili tuto podskupinu plus jeden kmen (G40), který představuje potenciálně jedinečný odlišný druh izolovaný naší skupinou. Naše neomezené fylogenetické výsledky (obr. S1) souhlasí s předchozími nálezy (3, 5, 15, 24, 25), které odmítají monofylii několika dříve popsaných morfologických skupin (1, 2). Kromě toho, Gloeobacter violaceus je vyřešena jako sesterská skupina všech ostatních sinic. Lze rozlišit tři hlavní skupiny (klady E1, E2 a skupina AC) (obr. 1 a obr. S1 a S2), které společně představují většinu dnes žijících taxonů sinic. Všechny skupiny byly definovány dříve (5), s klady E1 a E2 (subclades of E) včetně druhů všech morfologických podsekcí. Druhy patřící do morfologických podsekcí IV a V se vyskytují pouze v E1. Skupina AC obsahuje jednobuněčný mořský piko-fytoplankton (pododdíl I) a některé nediferencované mnohobuněčné druhy (pododdíl III).

Časově kalibrovaná fylogeneze sinic zobrazující odhady divergenčního času. Bayesovský konsensuální strom (analýza 7) založený na datech 16S rRNA s 95% nejvyššími pozdějšími hustotami diskutovaného stáří uzlů zobrazenými jako zelené pruhy (analýzy 1, 3, 5 a 7 se překrývají). Morfologické znaky taxonů jsou označeny barevnými rámečky a uvedeny ve vložce. Úplné názvy taxonů jsou uvedeny v tabulce S3. Větve se zadními pravděpodobnostmi & gt0,9 ve všech analýzách jsou prezentovány jako silné čáry. Šedé kruhy označují body použité pro kalibraci stromu. Podrobnosti o předchozích odhadech věku použitých pro kalibraci jsou uvedeny v tabulce 1. Významný nárůst míry diverzifikace (žlutý trojúhelník) [9,66násobek (průměr všech analýz)] lze detekovat v uzlu 3 a menší pokles (červený trojúhelník) ve 33/34. Dřívější posun v blízkosti uzlu 3 se shoduje s počátkem mnohobuněčnosti. Pod časovou osou jsou poskytnuty schematické výkresy zkamenělin sinic, přičemž ty, které se používají pro kalibraci stromu, jsou vyznačeny červeně. Naše výsledky naznačují, že mnohobuněčnost (zelený odstín) vznikla před nebo na začátku GOE.

Odhad času divergence.

Doby divergence podél fylogeneze sinic byly odhadnuty za bayesovských uvolněných molekulárních hodin pomocí dvou různých modelů vývoje nekorelované rychlosti (26). Ukázalo se, že lognormální rozdělení sazeb překonává model s exponenciálním rozložením sazeb (26). Náš první model předpokládal, že sazby byly lognormálně distribuovány (nekorelovaný lognormal, UCLN). Robustnost výsledků byla testována s druhým modelem za předpokladu exponenciálně rozložených rychlostí (nekorelovaných exponenciálně distribuovaných, UCED) (Text SI). Pro každý hodinový model byla provedena sada osmi různých analýz, aby se zohlednila široká škála předchozích předpokladů a vyhodnotil se jejich vliv na výsledky (tabulka 1 a tabulka S1). Bayesovský konsensuální strom analýzy divergence a času 7 je uveden na obr. 1, včetně odhadů stáří (95% nejvyšší zadní hustoty, HPD) důležitých uzlů podle analýz 1, 3, 5 a 7 (tabulka 1). Střední stáří uzlů () jsou uvedeny na obr. 2 a jsou opatřeny 95% HPD v tabulce 1 (diskutované uzly) a tabulce S2 (všechny uzly). Přestože se stáří uzlů sinic lišilo s ohledem na analýzy, naše hlavní závěry jsou robustní pro různé předchozí kalibrace. Všechny analýzy ukázaly, že existující sinice pocházely před GOE (2,45 Bya). Mnohobuněčnost pravděpodobně pocházela z větve vedoucí k uzlu 3 (5). Analýzy pro tento uzel navrhly střední věk před nebo na začátku GOE (před 2,36 Bya) (tabulka 1 a tabulka S1). Předchůdce linie vedoucí k uzlu 3 byl také kalibračním bodem v našich analýzách (tabulka 1). Obr. 3 porovnává implicitní dřívější rozdělení pravděpodobnosti tohoto kalibračního bodu se pozdějšími pravděpodobnostmi uzlu 3, a tudíž hodnotí, do jaké míry naše předchozí předpoklady ovlivnily výsledek. Ačkoli předchozí předpoklady kladly vyšší pravděpodobnost na věk po GOE kolem 2,2 Bya, naše data obsahovala silné signály, které mají působit proti těmto předchozím a místo toho uváděly starší medián věku uzlu pro uzel 3, mezi 2,42–3,08 Bya (všechny analýzy) (obr. 3 a Tabulka 1), který je před GOE. Kromě toho se odhaduje, že skupiny E1, E2 a AC pocházejí kolem konce GOE. Tyto skupiny tvoří většinu živých sinic (91% z 281 druhů a 88% z 4194 kmenů).

Divergenční časy pro pět důležitých uzlů byly odhadnuty pomocí uvolněných hodin s UCLN distribuovanými vývojovými rychlostmi


Modely a výsledky

Populační genetický model

Rozšiřujeme standardní populační genetický model hypotézy Red Queen [38–41], abychom zohlednili neoplazii, tj. Skutečnost, že rakoviny pocházejí z konspecifických hostitelů a přinášejí jejich genotypy do populace přenosných rakovinných buněk. Rozlišujeme dvě stadia, která charakterizují přenosné rakovinné buňky: rakovinné buňky úspěšně přenesené na nového hostitele v předchozí generaci (nazývané „přenášené rakoviny“) a ty, které dosud nemají takovou infekční historii, ale jsou přímo odvozeny od původního hostitele kde se objevila neoplázie (nazývaná „neocancery“). Neocancer se stává přenášenou rakovinou, jakmile úspěšně nakazí nového hostitele. Konkrétně testujeme, zda koevoluce mezi hostiteli a přenosnými rakovinami může upřednostňovat evoluci pohlaví podle hypotézy Rudé královny.

Sledujeme genotypové frekvence haploidních hostitelů a haploidních rakovinotvorných buněk v průběhu životního cyklu, který se skládá ze sčítání, reprodukce, neoplazie (vývoj nekanceróz) a selekce (která závisí na interakcích mezi hostiteli a přenosných rakovinách). Předpokládáme, že hostitelé a rakovinné buňky tvoří populace dostatečné velikosti, takže můžeme ignorovat účinky genetického driftu. Předpokládáme také, že čas je diskrétní.

Genotypy.

Hostitelé a přenosné rakoviny jsou haploidní a mají dva lokusy, A a B, se dvěma možnými alelami (A/a, B/b), které určují výsledek interakce mezi hostiteli a rakovinou.

Hostitelé mají další lokus modifikátoru M se dvěma možnými alelami (M/m), které určují, zda se hostitel reprodukuje sexuálně nebo asexuálně (zde genový řád A, B a M nevadí). Hostitelé nesoucí alelu M se reprodukují sexuálně, zatímco hostitelé nesoucí alelu m se reprodukují asexuálně. Ačkoli rakovinné buňky jsou nakonec odvozeny z hostitelských buněk, a tak nesou lokus modifikátoru M také pro jednoduchost předpokládáme, že se nikdy nezapojují do sexu a rekombinace, v důsledku toho není nutné v modelu rozlišovat rakovinné buňky s alelami m a M. Náš přístup nedává samotným rakovinným buňkám schopnost fúze a rekombinace [42, 43], protože nám to umožňuje sledovat původní argumentaci Thomas a kolegové (2019) [22].

Jako celek tedy mají hostitelé osm možných genotypů (mAB, mAb, maB, mab, MAB, MAb, MaB, Mab), jejichž frekvence jsou, a přenosné rakovinné buňky mají čtyři možné genotypy (AB, Ab, aB, ab ) jejichž frekvence jsou.

Reprodukce.

Hostujte jednotlivce nesoucí alelu M v místě modifikátoru M zapojit se do sexuální reprodukce. Po náhodném páření (které spojuje dva haploidní genomy) bezprostředně následuje meióza. Během meiózy, lokusy A a B rekombinovat rychlostí rhostitel. Rekombinace mezi těmito lokusy (A a B) a lokus M je irelevantní, protože sexuální potomstvo dědí alelu M v lokusu M od obou rodičů. Naproti tomu hostitelští jedinci nesoucí alelu m v lokusu M zapojit se do asexuální reprodukce a genotypové frekvence v asexuální hostitelské populaci se nemění. Všechny přenosné rakovinné buňky se klonálně reprodukují, tj. Genotypové frekvence v přenosných rakovinných buňkách se nemění.

Mutace v interakčních lokusech se vyskytují rychlostí mhostitel a mrakovina na lokus na generaci v hostitelích, respektive rakovinných buňkách. Pokud dojde k mutaci, alela A (respektive B) se stane alelou a (respektive b) a naopak. Předpokládáme, že v lokusu modifikátoru není žádná mutace M, protože naším cílem je posoudit, zda alela M ovládající sexuální reprodukci může napadnout populaci, jakmile je zavedena.

Celkově z frekvencí a můžeme vypočítat genotypové frekvence a v hostitelích a rakovinných buňkách po reprodukci za předpokladu, že se generace nepřekrývají.

Hostitelská neoplázie a vývoj nekanceróz.

Přenosné druhy rakoviny jsou nakonec odvozeny z neoplazie a mají zpočátku stejný genotyp jako původní hostitel neocanceru (tj. Nepředpokládáme žádnou somatickou mutaci/selekci během onkogenního procesu, který produkuje rakovinu v původním hostiteli). Používáme α k označení podílu přenosných rakovin, které jsou „neokancerami“ (bez anamnézy infekce), s genotypovými frekvencemi v interakčních lokusech. Zbývající podíl 1−α rakoviny jsou „přenášené rakoviny“ (s infekční anamnézou), s genotypovou frekvencí odlišnou od neokancerů. Li α = 0, neoplazie se nevyskytuje a přenosné rakoviny jsou v takovém případě nejlépe považovány za klasické heterospecifické parazity, které nevznikají ze samotných hostitelských buněk.

Poté, co došlo k neoplazii (vývoj nekanceróz), jsou genotypové frekvence přenosných rakovin následující: (1)

Předpokládáme, že neoplazie nezávisí na genotypu hostitele - tj. Hostitelé jakéhokoli genotypu vyvíjejí neocancer stejnou rychlostí. Předpokládáme také, že genotyp hostitele neovlivňuje závažnost fitness důsledků (pro hostitele) neoplazie. Proto i když neoplázie zvyšuje úmrtnost hostitele, nemění to genotypové frekvence v hostitelské populaci:.

Výběr.

Během selekční fáze se předpokládá, že se hostitelé setkávají s přenosnými druhy rakoviny (nekancerózy a přenášené rakoviny) úměrně jejich frekvenci. Změny v genotypových frekvencích jsou určeny shodou/neshodou v lokusech interakce (A a B).

Implementujeme běžně používaný model interakce alel shody, nyní interpretovaný v kontextu rozpoznávání sebe/ne-sebe. Když existuje přesná shoda mezi genotypy a j hostitele a infikující rakovinu, infikující rakovina má vysokou kondici (kterou modelujeme jako fitness koeficient), zatímco hostitel trpí fitness náklady (fitness koeficient). V alternativním případě, kdy genotypy a j hostitele a infikující rakovinu se neshodují, hostitel si zachovává svou vysokou kondiční výhodu (fitness koeficient), zatímco infikující rakovina trpí fitness náklady (fitness koeficient).

Za předpokladu, že pravděpodobnost interakce mezi genotypem hostitele a genotyp rakoviny j je součin jejich příslušných frekvencí a četnosti genotypu hostitele po výběru je, kde je vhodnost hostitelského genotypu , dána . Genotypové frekvence u rakoviny po selekci se vypočítají analogicky (pomocí fitness koeficientů).

Během výše uvedeného výběrového procesu jsme proto vycházeli z předpokladu, že k přenosu dochází pouze horizontálně. V dodatku S2 však implementujeme vertikální přenos rakovinotvorných buněk z matky na potomky. Vertikální přenos způsobuje „výběr podobnosti“, který má také potenciál upřednostňovat pohlaví a rekombinaci, přičemž je odlišný od genotypového výběru vytvořeného koevolučními výkyvy ve standardních modelech Red Queen [44]. Agrawal (2006) použil standardní populační genetický přístup, aby zdůraznil důležitost výběru podobnosti pro vývoj pohlaví [44], ale je zapotřebí více teoretické a empirické práce, aby se potvrdilo, že se jedná o účinný mechanismus podporující sexuální reprodukci. Pokud je nám známo, jediné další modely zvažující výběr podobnosti v jiných evolučních kontextech jsou Greenspoon a M’Gonigle [45, 46].

Numerické simulace.

Inicializujeme populace za předpokladu, že všichni hostitelé jsou asexuální (v hostitelích frekvence alely m v lokusu M je nastavena na 1) a jiné alelové frekvence jsou inicializovány náhodně, tj. genotypové frekvence jsou kresleny po rovnoměrném rozdělení v rozsahu [0,1] a poté jsou normalizovány tak, že jejich součet je roven 1 u hostitelů a přenosných rakovin.

Počáteční populace hostitele a rakoviny se mohou společně vyvíjet po dobu 10 000 generací (období hoření), přičemž dynamika je vypočítána pomocí rekurzních rovnic výše. Mutantní alela M je poté zavedena tak, že 5% hostitelské populace se stane sexuální (přechází z alely m na alelu M) a hostitelské a rakovinové populaci se může současně vyvíjet po 1 000 000 generací. Pro každou kombinaci testovaných parametrů provádíme 100 simulací charakterizovaných různými počátečními podmínkami, takže koevoluční dynamika může zkoumat různé mezní cyklické dynamiky. Pokud zjistíme, že frekvence alely M dosáhne a udrží frekvenci>> 0,999 po dobu alespoň 500 generací v průběhu alespoň jedné simulace, předpokládáme, že sex může napadnout kombinace implementovaných parametrů.

Abychom mohli poskytnout analýzu citlivosti, měníme parametry α (podíl neocancerů v populaci přenosných rakovin) a (shostitel,srakovina) (selekční koeficient spojený s interakcí mezi hostiteli a rakovinou), s mírou mutací mhostitel = mrakovina = 10 −5. Pro každou kombinaci parametrů spouštíme simulace s různými hodnotami rhostitel ∈ <0,005,0.01,0,02,0,05,0,1,0,2,0,3,0,4,0,5> (míra rekombinace, pokud se hostitelé reprodukují sexuálně). Pokud sex může napadnout alespoň jednu hodnotu rhostitelpak se domníváme, že sex se může vyvíjet kombinací parametrů (α,shostitel,srakovina) testováno. Všimněte si, že náš předpoklad implementace α jako parametr je zjednodušení, které děláme, abychom pomohli koncepčnímu porozumění roli, kterou nově vzniklé rakoviny hrají v dynamice Red Queen, poté přepneme na prohlížení α jako naléhavá vlastnost systému v epidemiologickém modelu prezentovaném a analyzovaném níže. Počítačový kód simulací a analýz je poskytován jako zdrojový kód S1.

Dynamika Red Queen a evoluce sexu

Podle hypotézy Rudé královny způsobují antagonistické interakce mezi hostiteli a parazity kolísavý výběr vedoucí k nestálé koevoluční dynamice (dynamika Rudé královny), která podporuje evoluci sexu. Bez neoplázie (α = 0), ukazujeme, že taková dynamika se vyskytuje v genetickém modelu naší populace s třemi lokusy (srov. Mezerové parametry vymezené prostými červenými čarami na obr. 1A, např. Obr. 1B). V důsledku toho může sexuální reprodukce napadnout hostitelskou populaci (na obrázku 1A purpurově), zvláště pokud se spojuje se střední mírou rekombinace (obr. SI). Tyto předpovědi jsou v souladu s předchozí teorií hypotézy Rudé královny.

(A) Citlivost populačních genetických modelů na selekční koeficienty (shostitel,srakovina) a k podílu přenosných neokancerů, které jsou v poslední době odvozeny od původního hostitele (α). Červené čáry ohraničují mezery parametrů vedoucí k nestabilní a ustálené koevoluční dynamice v modelu se třemi lokusy (prostá čára nalezená numericky) a ve zjednodušeném modelu s jedním lokusem (přerušovaná čára nalezená analyticky v dodatku S1). V modelu se třemi lokusy je dynamika definována jako „stabilní“, když je rozptyl genotypových frekvencí po 500 časových krocích nižší než 10–10. Tmavě purpurová označuje podmínky, za kterých může alela modifikátoru spojená se sexuální reprodukcí (a s rekombinací, alespoň pro jednu z testovaných rychlostí rekombinace) napadnout v modelu se třemi lokusy alespoň v jednom ze 100 simulačních běhů. Kód použitý k provedení této analýzy citlivosti najdete ve zdrojovém kódu S1. (PŘED NAŠÍM LETOPOČTEM) Příklady nestabilní a ustálené koevoluční dynamiky v modelu se třemi lokusy. Vazebná nerovnováha v hostiteli se vypočítá jako, tj. Pozitivní nerovnováha vazeb zde představuje náhodný přebytek kombinací alel ab a AB. V (B) a (C) jsou hodnoty parametrů: shostitel = 0.5, srakovina= 0,8 a α = 0 (B) nebo α = 0,1 (C).

Výsledky se mění, když některé z přenosných rakovin v oběhu jsou nekancerózy, výsledky neoplazie vyskytující se v původních hostitelích (α& gt0). I malá část nekanceróz je dostačující k zastavení koevoluční dynamiky mezi hostiteli a přenosnými rakovinami (obr. 1A, např. Obr. 1C). Neoplazie zpřísňuje vazbu mezi genotypovými frekvencemi v hostiteli a rakovině (Eq 1), ve smyslu snížení jakékoli časové prodlevy mezi těmito dvěma evolučními dynamikami. Vzhledem k tomu, že k tomu, aby docházelo ke koevolučním výkyvům a aby byl v modelech Red Queen upřednostňován sex, je nutná časová prodleva, neustálá produkce nových rakovinných buněk z původních hostitelů znemožňuje invazi sexuální reprodukce, pokud je podíl neocancerů příliš vysoký (obr. 1A).

Dalšími silnými determinanty koevoluční dynamiky jsou silné stránky selekce spojené s interakcí mezi hostiteli a přenosnými rakovinami (shostitel,srakovina). Celkově zvýšené síly selekce podporují nestálou koevoluční dynamiku a podporují vývoj pohlaví (obr. 1A). Jinými slovy, když se rezistence nebo infekce spojí s vysokou kondicí hostitele a rakoviny, může dojít k dynamice Red Queen, která podporuje vývoj sexu.

Je pozoruhodné, že stejných výsledků dosáhneme, když uvážíme, že reprodukčním způsobem předků je fakultativní sexuální reprodukce (s hostiteli, kteří původně reprodukují sexuálně a asexuálně ve stejné míře S2 Obr). Neoplazie také tlumí koevoluční cyklování, když vezmeme v úvahu více než dvě interakční lokusy zprostředkující interakci mezi hostiteli a rakovinou (obr. ).

Chcete -li získat další poznatky o účinku podílu neokarcerů (α) o koevoluční dynamice mezi hostiteli a přenosnými rakovinami uvažujeme o zjednodušeném genetickém modelu populace s jedním lokusem a řešíme jej analyticky. Tento model je založen na jediném autozomálním haploidním lokusu A se dvěma možnými alelami (A/a), ovládající interakci mezi hostiteli a přenosnými druhy rakoviny. Tento model neobsahuje modifikační lokus řídící reprodukční režim hostitele, kterého všichni hostitelé reprodukují nepohlavně. Předpokládáme také, že neexistuje žádná mutace (mhostitel = mrakovina = 0). Lokální stabilitu všech rovnováh určujeme analýzou vlastních čísel odpovídajících jakobiánských matic (příloha S1). Ukazujeme, že všechny rovnováhy jsou nestabilní, což vede k nestabilní koevoluční dynamice, pouze pokud je podíl neokancerů nižší než prahová hodnota A*(shostitel,srakovina): (2) s: (3)

Tato podmínka je znázorněna čárkovanou červenou čarou na obr. 1A. Maximální hodnota α což umožňuje nestabilní koevoluční dynamiku se zvyšuje s tím, jak se zvyšují selekční koeficienty (a), jak bylo zjištěno numericky v modelu se dvěma interakčními lokusy (na obrázku 1A je prostá červená čára). Tato analytická derivace ukazuje, že amplituda výkyvů ve výběru se nejen zmenšuje, ale deterministicky se zmenšuje na nulu, protože α zvyšuje. V tomto zjednodušeném genetickém prostředí proto neoplázie vždy tlumí dynamiku Červené královny. To vysvětluje, proč v modelu se třemi lokusy se sex nemůže vyvíjet, pokud je podíl přenosných rakovin pocházejících z hostitelské neoplázie příliš vysoký.

Doposud jsme uvažovali pouze o horizontálním přenosu, který v našem modelu nepodporuje vývoj pohlaví, jakmile neoplazie tlumí koevoluční výkyvy. Ačkoli teorie hypotézy Rudé královny spoléhá na nestálou koevoluční dynamiku, antagonistické interakce mohou upřednostňovat vývoj sexuální reprodukce prostřednictvím jiných procesů. V dodatku S2 ukazujeme, že vertikální přenos rakovinotvorných buněk může podporovat evoluci pohlaví prostřednictvím samostatného mechanismu, který se nazývá výběr podobnosti [44], ve kterém účinek podporující sex funguje bez koevolučních fluktuací. K výběru podobnosti dochází, když jsou náklady na genotypickou podobnost s rodinnými příslušníky. Zejména kvůli přenosu rakovinotvorných buněk z rodičů na potomky tyto náklady existují, pokud je kompatibilita infekce pod genetickým vlivem (např. Jako v systému shodujících se alel našeho populačního genetického modelu).

Epidemiologický model

Výše prezentovaný populační genetický model ošetřuje podíl přenosných nekancerů pocházejících z neoplazie (α) a selekční koeficient způsobený infekcí přenosnými druhy rakoviny (shostitel) jako nezávislé parametry. Přesto jsou tyto dva parametry pravděpodobně spojeny v realističtějším epidemiologickém kontextu a s některými kombinacemi (α, shostitel) může být pravděpodobnější než ostatní. Proto jsme vytvořili explicitní epidemiologický model, abychom určili epidemiologická nastavení, která mohou podporovat vývoj pohlaví (jak předpovídá populační genetický model výše).

V našem epidemiologickém modelu mohou být hostitelští jedinci bez rakoviny („vnímaví“), může se u nich vyvinout neocancer (prostřednictvím neoplazie) nebo se mohou nakazit přenosnou rakovinou (viz vývojový diagram modelu, obr. 2). Infikovaní hostitelé zaznamenávají zvýšenou úmrtnost. Nemodelujeme možnost, aby hostitel měl oba typy rakoviny současně, ale zahrnujeme parametr (θ), která umožňuje změnu stavu infekce z jednoho typu na druhý. Tím pádem, θ kontroluje, zda může neoplázie „převzít kontrolu“, pokud hostitel již má přenesenou rakovinu, a zda se naopak hostitel podstupující neoplazii může nakazit jinou rakovinou.

Protože účelem modelu je prozkoumat pravděpodobné hodnoty α záleží na shostitel„Místo sledování dynamiky Red Queen nezahrnujeme žádné odchylky v genotypech hostitelů a parazitů. Místo toho předpokládáme, že žádný hostitel nemůže rozpoznat přenosnou rakovinu jako ne-vlastní a odrazit ji z důvodu analytické sledovatelnosti, podceňujeme tedy podíl neokancerů a nadhodnocujeme koeficient selekce tím, že rakovině usnadňujeme pokračování v infekci hostitelů nad rámec původního (jak je uvedeno v dodatku S4).

Následující běžné diferenciální rovnice řídí změny hustoty vnímavých hostitelů (S), hostitelé, kteří vyvinuli neocancer neoplazií (0) a hostitelé infikovaní přenesenou rakovinou (T): (4) pomocí N. = S+0+T.

Porodnost hostitele je závislá na hustotě se základní mírou porodnosti b a nosnost K. Základní míra úmrtnosti, nezávislá na hustotě nebo stavu infekce, je μ, který je povýšen na μ+ν u infikovaných hostitelů (tj. ν označuje další úmrtnost hostitele způsobenou rakovinou). Neoplazie způsobuje, že hostitelé vyvíjejí neocancery rychlostí λ0, a hostitelé se mohou nakazit přenosnou rakovinou, kontrolovanou rychlostí β a v závislosti na prevalenci přenosných rakovin. Parametr θ ovládá změnu stavu infekce. Li θ = 0, jeden jedinec může někdy hostit pouze jeden typ rakoviny. Li θ& gt0, hostitelé mohou změnit stav infekce.

Epidemiologická rovnováha

Prevalence přenosných rakovin.

V závislosti na hodnotách parametrů hostitelská populace buď zanikne, nebo přetrvává s S*+0*+T*& gt0 v rovnováze (příloha S3). Tento rovnovážný stav je stabilní a vyznačuje se endemickou infekcí přenosnou rakovinou (0*& gt0 a T*& gt0 S3 dodatek). Všimněte si, že rovnováha, kde jsou všichni hostitelé vnímaví, což je možné u standardních epidemiologických modelů (modely SI, SIR a SIS), není rysem našeho modelu, protože vnímaví jedinci neustále produkují nekancerózy.

V rovnováze můžeme odvodit výraz prevalence P* přenosných rakovin definovaných jako (příloha S3 viz také obr. S4): (5)

Podíl neocancerů.

V rovnováze určujeme vyjádření podílu neokancerů (), které definujeme jako (příloha S3): (6)

Síla výběru díky přenosným rakovinám.

Rovněž určujeme vyjádření selekčního koeficientu způsobeného přenosnými rakovinami (), který definujeme jako průměrné zkrácení délky života v důsledku rizika nákazy přenosnými druhy rakoviny (příloha S3): (7)

Epidemiologické prostředí podporující evoluci sexu

Abychom odvodili epidemiologické podmínky, které mohou podporovat vývoj pohlaví, porovnáváme vlastnosti rovnovážného stavu () s podmínkami, které upřednostňují vývoj pohlaví v předchozím genetickém modelu populace se třemi lokusy, za předpokladu aproximací a.

Některé parametry - porodnost (b), nosnost (K) a změny stavu infekce (θ) - nemají žádný vliv na podíl neokancerů () a na sílu výběru způsobenou přenosnými rakovinami () v rovnováze (tyto parametry však ovlivňují dynamiku našeho epidemiologického modelu před dosažením rovnovážného stavu). Naproti tomu ostatní parametry -λ0, β, μ, a ν—Vliv, a to buď přímo, nebo prostřednictvím jejich účinku na prevalenci přenosných rakovin (P*) (Rovnice 6 a 7 Obr. 3 a 4).

Každý epidemiologický parametr může v rovnováze ovlivnit podíl nekanceróz (modře) a sílu selekce způsobené přenosnou rakovinou (červeně), a to buď přímo, nebo prostřednictvím svého účinku na prevalenci přenosných rakovin (viz rovnice 6 a 7 a viz S3 Slepé střevo). Pravý panel ve sloupci „rovnovážný stav“ označuje celkový účinek změny hodnoty parametru na nebo. Z těchto analýz citlivosti usuzujeme, zda změny v epidemiologickém prostředí mohou podpořit evoluci pohlaví nebo ne (jak se předpovídalo v předchozím populačním genetickém modelu ve fialové barvě). Všimněte si toho a nezávisí na parametrech b, K, a θ.

(A, B) Účinky epidemiologických parametrů na rovnovážný stav. (C) Podmínky, za nichž by mělo být upřednostňováno pohlaví (odvozeno z genetického modelu populace s třemi lokusy, obr. 1A). Šedou barvou představujeme podmínky, za kterých hostitelská populace vyhyne, za předpokladu, že základní míra porodnosti b se rovná jedné (podmínka vedoucí k zániku: μ+νP*(λ0,β,μ,ν) & gtb viz příloha S3). Kód použitý k provedení této analýzy citlivosti najdete ve zdrojovém kódu S1.

Míra neoplazie (λ0).

Vysoká míra neoplázií se spojuje s vysokým podílem nekanceróz () v rovnováze (obr. 3 a 4A) a se silnou selekcí způsobenou přenosnými rakovinami () (prostřednictvím vysoké prevalence rakoviny obr. 3 a 4B). Ačkoli silná selekce může upřednostňovat sex, vysoký podíl nekanceróz tomuto účinku brání a náš populační genetický model předpovídá, že toto epidemiologické prostředí jako celek nepodporuje evoluci pohlaví (obr. 1).

Na druhé straně se nízká míra neoplázií spojuje s nízkým podílem nekanceróz v rovnováze, což by samo o sobě upřednostňovalo sex, ale to se také spojuje s přenosnými rakovinami, které způsobují pouze slabou selekci. Zde slabý výběr vede k tomu, že pohlaví opět není upřednostňováno (obr. 1). Epidemiologické úvahy proto omezují podmínky, za kterých se vyvíjí pohlaví: je obtížné kombinovat nízký podíl neokarcerů se silnou selekcí v hostiteli (obr. S5). Celkově je pravděpodobnější, že nízká míra neoplazie povede ke vzniku podmínek podporujících vývoj pohlaví než vysoká míra neoplázie (obr. 4C).

Přenosová rychlost rakoviny (β).

Vysoká přenosová rychlost rakovin se spojuje s nízkým podílem nekanceróz v rovnováze (obr. 3 a 4A) a se silnou selekcí způsobenou přenosnými rakovinami (prostřednictvím vysoké prevalence rakoviny obr. 3 a 4B) v rovnováze. Výsledkem je, že vysoká rychlost přenosu rakoviny nabízí příznivé podmínky pro vývoj pohlaví (obr. 3 a 4C).

Úmrtnost (μ a ν).

Vysoká úmrtnost je spojena s vysokým podílem nekanceróz v rovnováze (obr. 3 a 4A). K tomuto efektu dochází v našem modelu, protože infikovaní jedinci rychle umírají μ+ν jsou nahrazeni vnímavými novorozenci (tok znázorněný purpurově na obr. 2) a vysoká úmrtnost je proto spojena s nízkou prevalencí rakoviny. Následná nízká prevalence rakoviny snižuje riziko nákazy přenášenou rakovinou, což vede k vysokému podílu neocancerů v rovnováze.

Pro vysokou úmrtnost následná nízká prevalence rakoviny oslabuje výběr způsobený přenosnými rakovinami (ekv. 7). Současně však relativní úmrtnost na rakovinu (ν/μ) přímo posiluje výběr způsobený přenosnými rakovinami (rovnice 7). Proto je vysoká základní úmrtnost (μ) přímo oslabuje selekci způsobenou přenosnými rakovinami, navíc k jejímu nepřímému účinku prostřednictvím prevalence rakoviny. Jiná situace je v případě vysoké úmrtnosti spojené s rakovinou (ν), který má opačné přímé a nepřímé účinky na výběr způsobený přenosnými rakovinami. Ve skutečnosti je vysoká relativní úmrtnost na rakovinu (ν/μ) přímo posiluje výběr, zatímco následná nízká prevalence rakoviny výběr oslabuje. Analytické derivace (příloha S3) ukazují, že pro vysokou základní úmrtnost (μ& gtβλ0), vysoká úmrtnost způsobená rakovinou (vysoká ν) vede k silnému výběru. Pro nízkou základní úmrtnost (μβλ0), výběr způsobený přenosnými rakovinami je místo toho maximalizován při středních hodnotách úmrtnosti způsobené rakovinou (střední ν) (Obr. 4B).

Výsledkem je kombinace nízké základní úmrtnosti μ a střední úmrtnost spojená s rakovinou ν vede k podmínkám podporujícím evoluci pohlaví (obr. 4C).

Naše výsledky jako celek naznačují, že podmínky pro výběr přenosných druhů rakoviny pro pohlaví jsou nejpříznivější, pokud přenosné druhy rakoviny existují v situaci s nízkou mírou neoplázie (nízká λ0), vysoká přenosová rychlost (vysoká β) a střední míra úmrtnosti související s rakovinou (střední ν) u hostitelů s nízkou základní úmrtností (nízká μ). Náš epidemiologický model zdůrazňuje, že podíl neocancerů (α) a koeficient výběru způsobený přenosnými rakovinami (shostitel), používané jako nezávislé parametry v populačním genetickém modelu, se snadno spojí při pohledu v epidemiologickém prostředí. Přesněji řečeno, epidemiologie omezuje podmínky vedoucí jak k nízkému podílu nekanceróz, tak k vysoké selekci v hostiteli (obr. S5), protože prevalence přenosných rakovin ovlivňuje oba parametry současně. Naše výsledky proto naznačují, že rozsah hodnot parametrů poskytujících podmínky, za kterých může sex napadnout, je relativně úzký (obr. 4C). Evoluce sexu je ještě méně pravděpodobná jako selekce přenosné rakoviny v důsledku neúspěšné infekce (srakovina) klesá, bez ohledu na jiné hodnoty parametrů (obr. 4C).


Materiály a metody

Lidské subjekty a odběr krve.

Vzorky periferní krve pacientů s Hansenovou nemocí byly získány z National Sorokdo Hospital, což je specializovaná národní nemocnice pro Hansenovu chorobu v korejských subjektech, včetně těch, kteří užívali DDS (skupina DDS) a kteří jej neodebrali alespoň 1 rok před odběrem krve ( žádná skupina DDS). Kontrolní subjekty byly přijaty z provincie Jeolla. Tato studie byla schválena Institucionální revizní radou Seoul National University College of Medicine (schválení IRB č. C-0803-023-237). Rovněž byla dodržována doporučení Helsinské deklarace pro biomedicínský výzkum zahrnující lidské subjekty.

Fericky redukční schopnost plazmatického testu.

Test plazmatické redukční schopnosti plazmy (FRAP) byl proveden na základě metody Benzie a Strain (32). Absorbance byla zaznamenána při 593 nm. Měření absorbance bylo prováděno po dobu 8 minut, ale pro výpočet hodnoty FRAP byly vybrány 2minutové hodnoty. Výsledky byly vyjádřeny jako ekvivalent Trolox.

Kmeny hlístic.

Jako kmen divokého typu jsme použili kmen N2 Bristol. C. elegans mutantní kmeny použité v této studii jsou genotypu daf-16 (mu86), jíst-2 (ad465), isp-1 (qm150), adls2122 [gfp :: lgg-1, rol-6 (su10060)], a pyk-1 (ok1754), všechny byly získány z genetického centra Caenorhabditis.

Měření délky života hlístice.

Měřili jsme životnost červů při 20 ° C. Ve všech experimentech jsme vyloučili červy, které zemřely v důsledku prasknutí vulvy, vytváření červích pytlů nebo šplhání po stěnách desek. Považovali jsme červa za mrtvého, pokud červ nereagoval na platinový výběr. Významnost byla stanovena porovnáním rozdílů v průměrné délce života pomocí log-rank (Mantel-Cox) testu (33).

Měření autofluorescence lipofuscinu.

Fotografovali jsme autofluorescenci lipofuscinu v červech pomocí 525 nm pásmového filtru s expoziční dobou 800. Každý den bylo měřeno alespoň 30 červů, aby se vypočítal průměr a SE autofluorescence lipofuscinu.

Zvířata a experimentální podmínky.

Samci myší BALB/c (20–25 g tělesné hmotnosti, 4 týdny starý) se před použitím aklimatizovali 1 týden.DDS (0,2, 0,5, 2 mg/kg) bylo podáváno skupinám šesti myší intragastricky každý den po dobu 3 měsíců a poté byly svaly odděleny. Všechny studie na zvířatech byly schváleny Výborem pro experimenty na zvířatech Národní univerzity v Soulu.

Buněčná kultura C2C12.

Buňky C2C12 byly získány z American Type Culture Collection. Pro diferenciaci bylo médium obnoveno nebo změněno na DMEM doplněný 2% FBS (mitogenní chudé médium podporující diferenciaci), když buňky dosáhly 60 až 70% konfluence.

Analýza C. elegans Mitochondriální zlomky.

Červi byli sklizeni a homogenizováni v S bazálním pufru. Frakce mitochondrií a cytosolu byly zmrazeny, rozmraženy a ošetřeny 0,8% CHAPS před měřením mitochondriálního komplexu V (34).

Měření ATP.

Hladiny ATP byly měřeny, jak bylo popsáno dříve, s mírnými úpravami (35).

Amplex Red Assay pro H2Ó2 Měření.

Možné účinky DDS na vychytávání ROS byly zkoumány, jak bylo popsáno výše (36), za použití soupravy Amplex Red pro stanovení peroxidu vodíku/peroxidázy (Molecular Probes).

Test DHE pro měření superoxidových aniontů.

Poté, co bylo 20 uM DDS ošetřeno 72 hodin, byly myotubes C2C12 ošetřeny 50 uM PQ po dobu 30 minut a poté inkubovány s 5 uM DHE (molekulární sondy) po dobu 15 minut při 37 ° C ve tmě. Poté byla fluorescence ethidium-DNA vizualizována pod fluorescenčním mikroskopem pomocí LSM510 META (zvětšení Carl Zeiss, 200 ×).

Měření oxidace lipidů.

Oxidace lipidů byla měřena pomocí fluorescenční sondy (11 C-BODIPY581/591 Molecular Probes), jak bylo popsáno výše (37).

Test odolnosti proti oxidačnímu stresu.

Pro C. elegans"přidali jsme 250 mM PQ v pufru M9 na 24jamkovou destičku obsahující 5-d-staré F2 červy krmené DDS v každé jamce a spočítané živé červy v každém časovém bodě. U buněk C2C12 myotube byly myotubes promyty PBS a umístěny na 48 hodin buď do bazálního média obsahujícího 1 mM pyruvát sodný (1 x), nebo do testovacího média doplněného 10 mM pyruvátem sodným (10 x). Myotubes C2C12 byly také inkubovány v médiu doplněném 10 mM hydrogenuhličitanem sodným (10 x NaHCO3), pro kontrolu změn osmolarity. Poté, co bylo 50 μM PQ ošetřeno po dobu 48 hodin, byla životaschopnost buněk měřena pomocí troponinu T (marker diferenciace svalů, klon JLT-12 Sigma), jak bylo popsáno výše (38).

Test spotřeby kyslíku.

Pro C. elegans, byly míry spotřeby kyslíku měřeny pomocí kyslíkové elektrody Clarkova typu (782 Oxygen Meter Strathkelvin Instruments), jak bylo popsáno dříve (39, 40). U myotubes C2C12 byly myotubes C2C12 ošetřeny DDS a poté byly buňky naneseny na plotny do 96jamkové mikrodestičky s integrovaným fluorescenčním barvivem systému BD kyslíkového biosenzoru (BD Biosciences). Myotubes C2C12 byly inkubovány po dobu 3 hodin a poté byly výsledky přečteny pomocí fluorescenční čtečky mikrodestiček (Wallac Victor3V 1420 Multilabel Counter Perkin-Elmer).

Modelování vazby DDS.

DDS byl modelován do vazebného místa PABA DHPS superponováním aminofenylové skupiny DDS na ekvivalentní polohu PABA a struktura kočičí PK byla superponována na DHPS.

Test aktivity PK.

Aktivita PK byla testována postupem popsaným dříve (41). Pro experimenty in vitro jsme použili 0,003 jednotky/reakční přípravek typu I PK z králičího svalu (Sigma).

Měření pyruvátu.

Obsah pyruvátu byl měřen pomocí komerčně dostupné testovací soupravy na bázi fluorescence (BioVision) podle protokolu výrobce. Obsah pyruvátu byl normalizován na celkový protein a vyjádřen jako nmol/mg proteinu.


Podívejte se na video: Biology: Cell Structure I Nucleus Medical Media (Leden 2022).