Een onzichtbare kracht begint het leven

Wetenschappers bestuderen hoe wrijvingskrachten de evolutie van mariene organismen aansturen.

Wanneer een pottenbakker aan een spinnewiel werkt, zorgt de wrijving tussen zijn handen en de zachte klei ervoor dat hij er allerlei vormen en creaties van kan maken. In een fascinerende parallel maken mariene eicellen (onrijpe eicellen) gebruik van wrijving binnen verschillende compartimenten in zichzelf om na de conceptie ontwikkelingsveranderingen te ondergaan. Een studie uitgevoerd door de groep van Heisenberg aan het Instituut voor Wetenschap en Technologie in Oostenrijk (ISTA), gepubliceerd in Natuurfysicabeschrijft nu hoe dit werkt.

Zakpijpen vastgemaakt aan koraalriffen. Het mariene organisme is een uitstekend model voor het bestuderen van ontwikkelingsprocessen bij gewervelde dieren.

Divers zeeleven: de wereld van zakpijpen

De zee is vol prachtige levensvormen. Van algen en kleurrijke vissen tot zeeslakken en zakpijpen: onder water openbaart zich een compleet andere wereld. Zakpijpen, of kommen in het bijzonder, zijn zeer ongebruikelijk: na het vrij bewegende larvale stadium nestelt de larve zich en hecht zich aan harde oppervlakken zoals rotsen of koraal, waarbij ze buizen (sifons) ontwikkelen, die hun onderscheidende kenmerk zijn. Hoewel ze er als volwassenen uitzien als rubberen klodders, zijn ze de ongewervelde verwanten die het dichtst bij de mens staan. Vooral in hun larvale stadia lijken zakpijpen verrassend veel op ons.

Daarom worden asceten vaak gebruikt als modelorganismen om de vroege embryonale ontwikkeling te bestuderen Gewervelde dieren Waartoe mensen behoren. “Hoewel ascidians fundamentele ontwikkelings- en morfologische kenmerken van gewervelde dieren vertonen, hebben ze ook de cellulaire en genomische eenvoud die typisch is voor gewervelde dieren.” Ongewervelde dieren“Vooral de ascidian-larve is een ideaal model voor het begrijpen van de vroege ontwikkeling van gewervelde dieren”, legt Carl Philipp Heisenberg, professor aan het Institute of Science and Technology Austria (ISTA), uit.

De onderzoekers labelden het actine-eiwit in de actomyosinecortex (links, groene kleuring) en myoplasma (rechts, blauwe kleuring) om hun beweging te visualiseren nadat het ei is bevrucht. Wanneer de actomyosine-schaal in het onderste deel van het ei beweegt, werkt deze mechanisch samen met het myoplasma, waardoor het knikt. De gespen lossen uiteindelijk op in de contractiepool. Krediet: © Caballero-Mancebo et al./Natuurfysica

Het meest recente werk van zijn onderzoeksgroep, gepubliceerd in Natuurfysica, biedt nu nieuwe inzichten in de ontwikkeling ervan. De resultaten geven aan dat wanneer ascetische eieren worden bevrucht, wrijvingskrachten een cruciale rol spelen bij het hermodelleren en reorganiseren van hun interieur, wat de volgende stappen in hun ontwikkelingscascade aankondigt.

Het ontcijferen van de metamorfose van eieren

Ovules zijn vrouwelijke geslachtscellen die betrokken zijn bij de voortplanting. Na succesvolle bevruchting door mannelijk sperma ondergaan dierlijke eieren doorgaans een cytoplasmatische reorganisatie, waardoor hun cellulaire inhoud en componenten veranderen. Dit proces legt een blauwdruk voor de latere ontwikkeling van de foetus. In het geval van asceten leidt deze wijziging bijvoorbeeld tot de vorming van een klokachtig uitsteeksel – een klein uitsteeksel of neusvorm – bekend als de samentrekkingspool (CP), waar essentiële stoffen die de rijping van de foetus vergemakkelijken zich ophopen. Maar het onderliggende mechanisme dat dit proces aandrijft, is onbekend.

Vorming van een contractiepool. Microscopisch tijdsverloop van celvormveranderingen in xenogeënte eicellen na bevruchting: van onbevruchte eicel tot contractiepoolinitiatie tot contractiepoolvorming tot contractiepoolreabsorptie. Krediet: ©Caballero-Mancebo et al./Natuurfysica

Een groep wetenschappers van ISTA, Paris City University, CNRS, King's College London en de Sorbonne wilde dit mysterie ontrafelen. Voor dit doel importeerde de Heisenberg Group volwassen ascidians van de Roscoff Marine Terminal in Frankrijk. Bijna alle zakpijpen zijn hermafrodieten, omdat ze zowel mannelijke als vrouwelijke geslachtscellen produceren. “In het laboratorium bewaren we ze in zoutwatertanks in een Classificeren“Een handige manier om eieren en sperma te verkrijgen om hun vroege embryonale ontwikkeling te bestuderen”, zegt Silvia Caballero Mancebo, eerste auteur van deze studie en voormalig promovendus in het laboratorium van Heisenberg.

Vorming van een contractiepool. Microscopisch tijdsverloop van celvormveranderingen in ascetische eicellen na bevruchting: van een onbevruchte eicel (eerste afbeelding van links) tot initiatie van de contractiepool (tweede en derde afbeelding van links) en vorming van de contractiepool (vierde afbeelding van links). Krediet: © Caballero-Mancebo et al./Natuurfysica

De wetenschappers analyseerden de bevruchte ascetische eieren microscopisch en realiseerden zich dat ze zeer reproduceerbare veranderingen in de celvorm volgden die leidden tot de vorming van de contractiele pool. Het eerste onderzoek van de onderzoekers concentreerde zich op de actomyosine (cel) cortex, een dynamische structuur die onder het celmembraan in dierlijke cellen wordt aangetroffen. Het bestaat uit actinefilamenten en motoreiwitten en fungeert over het algemeen als motor voor vormveranderingen in cellen.

“We ontdekten dat wanneer cellen worden bevrucht, de verhoogde spanning in de actomyosinecortex ervoor zorgt dat ze samentrekken, waardoor hun beweging (stroom) wordt geactiveerd, wat leidt tot de eerste veranderingen in de celvorm”, vervolgt Caballero-Mancebo. De stroom van actomyosine stopte echter tijdens de expansie van de contractiepool, wat erop wijst dat er extra spelers zijn die verantwoordelijk zijn voor het uitsteeksel.

Silvia Caballero Mancebo. De ISTA-afgestudeerde heeft veel plezier in het oplossen van de mysteries van de natuur en deze in romans om te zetten. Beeldcredits: © Nadine Boncioni/ISTA

Wrijvingskrachten beïnvloeden de celremodellering

De wetenschappers hebben andere cellulaire componenten die mogelijk een rol spelen bij de uitbreiding van de contractiepool nader bekeken. Daarbij kwamen ze in aanraking met het myoplasma, een laag bestaande uit organellen en intracellulaire moleculen (waarvan verwante vormen worden aangetroffen in veel eieren van gewervelde en ongewervelde dieren), gecentreerd in het onderste deel van de ascetische eicel. “Deze specifieke laag gedraagt ​​zich als een stevig, rekbaar materiaal en verandert tijdens de bevruchting met de eicel van vorm”, legt Caballero-Mancebo uit.

Carl Philipp Heisenberg van het Instituut voor Wetenschap en Technologie in Oostenrijk (ISTA). De onderzoeksgroep van celbiologen van ISTA doet onderzoek naar zakpijpen en zebravissen en probeert te begrijpen hoe ongeorganiseerde celgroepen tijdens hun ontwikkeling transformeren in ingewikkelde vormen. Beeldcredits: © Nadine Boncioni/ISTA

Tijdens de stroom van de actomyosine-omhulling vouwt het myoplasma zich en vormt het talloze knikken als gevolg van de wrijvingskrachten die tussen de twee componenten bestaan. Naarmate de beweging van actomyosine stopt, verdwijnen ook de wrijvingskrachten. “Deze stilstand leidt uiteindelijk tot uitzetting van de contractiepool, omdat meerdere myoplasmatische gespen oplossen in een goed gedefinieerd klokvormig uitsteeksel”, voegt Caballero-Mancebo toe.

De studie biedt nieuw inzicht in hoe mechanische krachten de vorm van cellen en organismes bepalen. Het laat zien dat wrijvingskrachten een cruciale rol spelen bij de vorming en vorming van een zich ontwikkelend organisme. Wetenschappers beginnen echter nog maar net de specifieke rol van wrijving in de embryonale ontwikkeling te begrijpen. “Het myoplasma is ook interessant, omdat het ook betrokken is bij andere embryonale processen in asceten. Het zal heel interessant zijn om de ongewone fysieke eigenschappen ervan te onderzoeken en te begrijpen hoe het een rol speelt bij de vorming van zakpijpen.”

Referentie: “Wrijvingskrachten bepalen de cytoplasmatische reorganisatie en vormveranderingen van eicellen bij bevruchting” door Sylvia Caballero-Mancebo, Rushikesh Shinde, Madison Bolger-Munroe, Matilda Perozzo, Gregory Zipp, Irene Stikari, David LaBrosse-Arias, Vanessa Zaiden, Jack Mirren, Andrew Callan Jones, Rafael Voitoris en Carl Philipp Heisenberg, 9 januari 2024, Natuurfysica.
doi: 10.1038/s41567-023-02302-1