쌀 한 알보다 크지 않은 작은 Rove Beetle은 Joe Parker의 실험실의 유리 접시의 바닥에 위험하게 노출 된 것처럼 보였습니다. 그것은 동료 죄수 이전에도 3 배나 큰 개미 이전에도 그 위에 발전했습니다. 개미의 하악은 열려 있고 딱정벌레를 잡을 준비가되었습니다. 갑자기, 딱정벌레의 복부가 구부러지고 무언가가 일어 났고, 개미가 뒤로 엘을 보냈고 다리와 안테나가 날아 다니는 일이 일어났습니다. 딱정벌레는 빠르게 탈출하여 챔버의 다른 부분에서 적어도 일시적인 피난처를 취했습니다.
딱정벌레의 구원은 복부의 뒷면 표면 바로 아래의 땀샘이어서 개미의 얼굴에 유해한 화학 물질을 배출했습니다. California Institute of Technology의 진화 생물 학자 인 Parker는 최근에 특정 딱정벌레 그룹에 고유 한 단순하지만 새로운 구조의 진화로 이어진 단계를 되돌아 본 팀을 이끌고 있습니다. 그리고 땀샘은 독특 할 수 있지만, 그 작업의 통찰력은보다 보편적 인 질문을 밝힐 수 있습니다. 새로운 기관이 어떻게 진화합니까?
눈, 심장이든 간든, 다세포 유기체가 세포들 사이에 노동 분할을 설정할 때 새로운 장기가 진화합니다. 그러나 그 전문화가 어떻게 진화하는지“닭이나 달걀”수수께끼와 같은 문제입니다. 기관의 다양한 세포는 전체 작업 기관의 목적과 관련하여 이익이 분명 할 수있는 다른 기능을 수행하므로 왜 그 세포와 기능이 처음에 진화 했는가?
수수께끼를 심화 시키면 많은 기관이 너무 오래되어 기원이 재구성하기가 거의 불가능합니다. 오타와 대학교의 발달 생물학자인 Rajendhran Rajakumar는 곤충의 진화를 위해 일하는“매우 어둡습니다. "전체 기관만큼 복잡한 일을 만들기 위해 발생한 전환을 정확히 찾아내는 것은 정말 어렵습니다."
그러나 최근 몇 년 동안 과학자들은 다양한 무척추 동물에서 눈의 기원과 다른 특징을 조사함으로써 문제에 깊이 빠져 들기 시작했습니다. 그리고 Parker와 그의 동료들의 연구는 새로운 기관의 출현을 안내하는 중요한 원칙이 무엇인지 확인합니다. 첫째, 한 유형의 세포의 변화는 인접한 세포가 활용할 수있는 새로운 기회 또는 틈새를 열 수 있습니다. 둘째, 그러한 파트너십이 성공적으로 확립되면 서로 다른 세포 유형이 서로 의존하여 상호 의존성의주기에 잠겨 있습니다.
Parker는 딱정벌레 땀샘에서 연구원들이 관찰 한 공동 진화는“일반적으로 장기의 기능적 진화를위한 일종의 패러다임이 될 수있다”고 Parker는 말했다.
땀샘은 더 정교한 기관과 비교하여 겸손 해 보일 수 있지만 이러한 종류의 연구에 중요한 초점이되었습니다. 복잡한 기관보다 세포 유형이 적기 때문에 기본 원리를 발견하기위한 더 간단한 출발점을 제공합니다. 그들은 일반적으로 최근에 더 발전하여 진화를 더 쉽게 재구성 할 수있게 해줍니다. 그들은 또한 종종 새로운 화학 방어 및 생물 발광과 같은 놀라운 생물학적 혁신의 장소입니다.
코넬 대학의 진화 발달 생물 학자 레슬리 바보 니스 (Leslie Babonis)에게 땀샘과 다른 조직의 분비 세포는“새로운 기능의 진화를위한 핫 스팟”이 될 수 있음이 합리적입니다. 정의상, 이러한 세포는 유전자 생성물을 소포로 농축 한 다음 분비를 통해 세포 신체에서 제거하는 데 능숙합니다. Babonis는“유전자 생성물 (단백질)을 소포로 농축하여 세포 외부로 분비하는 능력은 정말 강력합니다. "이것은 정보를 전달하고 외부에서 효과를 발휘하는 동시에"세포가 그 안에서 일어나는 일을 많이 제어 할 수있게합니다.
새로운 세포 유형이 진화하는 방법
땀샘이 빠르고 놀라운 진화 적 변화를위한 가마솥이 될 수 있다는 증거의 경우, Rove 딱정벌레 (Staphylinidae)라고 불리는 곤충의 대가족보다 더 나은 곳이 없을 수 있습니다. 350,000 종 이상의 알려진 딱정벌레 중 64,000 개가 딱정벌레입니다. 이 작고 가정하지 않은 곤충에는 대부분의 딱정벌레의 복부를 덮고 보호하는 강화 된 미리의 미리가 부족하므로 거주하는 잎 쓰레기를 뚫을 때 유연하지만 포식자에게도 취약합니다. 보호를 위해 많은 Rove 딱정벌레 계보는 독립적으로 진화하여 다양한 방어선을 복부의 다른 지점에서 스프레이합니다.
방어선이 어떻게 진화했는지 이해하기 위해 Caltech 연구원들은 종에 초점을 맞추 었습니다. , Aleocharinae 서브 패밀리에서. 방어적인 tergal gland는이 계보의 진화론 적 성공을 설명하는 주요 혁신입니다. 약 17,000 종의 경우 알레오 차린은 Rove 딱정벌레의 가장 큰 클래드입니다.
박사후 연구원 인 Adrian Brückner가 이끄는 Parker의 팀은 글 랜드의 화학 칵테일을 분석하는 것으로 시작했습니다. 그것은 긴 탄화수소 화합물 (알칸 및 에스테르)의 용액에서 매우 자극적 인 벤조 퀴논의 액체 혼합물로 입증되었습니다. 추가 연구는 땀샘을 구성하는 두 세포 유형이 각각 그 혼합물의 성분에 책임이 있음을 보여 주었다. 알칸 및 에스테르를 생성하는 "용매 세포"는 외골격의 연질 막의 일부이며; 그들은 두 복부 세그먼트 사이에 파우치 또는 저수지를 형성합니다. 용매 세포 아래에는 벤조 퀴논을 만드는 일련의“샘 세포”가 있으며, 이들은 덕트를 통해 저수지로 방출됩니다. Rove Beetle이 복부를 들어 올리고 세그먼트를 구부리면 저수지는 개장이나 다른 포식자에게 혼합물을 열고 분출합니다.
그러나 연구원 들이이 세포들이 어떻게 진화하고 그들의 제품을 만드는 능력을 얻었는지 더 깊이 조사했을 때, 그들은 일련의 놀라움에 부딪쳤다.
.Parker의 팀은 용매 세포가 먼저 진화했다고 생각할 이유가있었습니다. Tergal 땀샘을 갖는 가장 오래되고 가장 오래된 알레오 차린 지점은 벤조 퀴논이 아닌 에스테르를 만듭니다. 연구자들은 알칸과 에스테르가 딱정벌레의 핵심 대사의 일부에서 파생 된 지방산 경로에 의해 만들어진다 고 가정했다. 연구원들이 글 랜드의 주요 저수지를 제압하는 세포에서 지방산의 합성을 폐쇄했을 때, 그들은 알칸과 에스테르가 사라 졌다는 것을 발견했습니다. Parker는“이것은 세포 유형이 탄화수소 형 화합물을 만들고 있으며 세포-자극성 지방산 경로를 통해 그렇게하고 있습니다.
연구자들이 개별 용매 세포에서 발현 된 RNA 분자를 보았을 때, 그들은 용매 세포에 함께 발현 된 유전자 전 사체 세트가 또한 딱정벌레의 지방 몸과 같은 다른 조직에서 함께 발현되었음을 발견했다.
Parker는“딱정벌레는 지방 몸과 페로몬 생성 세포에서 진화 한 고대 지방산 생합성 툴킷을 재사용하고있다”고 Parker는 말했다. 그는 새로운 용매 세포가 사실상 두 개의 조상 세포 유형의 유전자 발현 패턴, 큐티클 세포 및 지방 신체 또는 페로 날 세포로부터 유전자 발현 패턴의 융합이기 때문에이 현상을 "전 사체 혼성화"라고 부른다.
.Parker는“나는 그들이 수백만 년 동안 코비 변호되어 매우 효과적으로 협력하고 큐티클의 일부에 붙인 다음 새로운 분비 된 화합물을 제조하기 시작할 수 있다고 생각합니다.
솔벤트 세포는 산타 바바라 (Santa Barbara)의 캘리포니아 대학 (University of California)에서 눈과 생물 발광을 연구하고 칼 테크 프로젝트에 참여하지 않은 Todd Oakley는“기존 세포 유형의 일부를 취해 새로운 조합으로 모아서 하이브리드 세포 유형으로 보인다”고 말했다. 이러한 발현 하이브리드에 대한 과학 문헌은“최근까지 개별 세포 유형으로 표현 된 모든 유전자를 연구하는 기술이 없기 때문에 제한적이다. "그러나 그것은 기존 부분을 새로운 것과 결합하는 진화에서 몇 번이고 보는 원칙입니다." 그는 진화론 적 원칙을 Bricolage라는 예술 기술과 비교하여, 발견 된 재료는 새로운 창작물에 독창적으로 조립됩니다.
.하나의 신호는 충분할 수 있습니다
이들 유전자 조절 네트워크의 모듈성은 단일 전사 인자가 새로운 세포 유형을 만드는 데 필요한 전사가 될 수 있음을 의미한다. 지난 달 발달 생물학 협회 연례 회의에서 발표 된 연구에서 바보 니스는 바다 아네모네, 해파리, 산호 및 기타 해양 무척추 동물 그룹에서 발견 된 쏘는 세포 인 cnidocytes가 특정 뉴런 세트를 생성하는 세포 계통에서 발생한다고 밝혔다. Babonis는 단일 전사 인자가 미성숙 세포가 뉴런으로 발달하는 것을 막기에 충분하다는 것을 발견했습니다.
Parker는 새로운 맥락에서 기존 유전자 세트를 재사용하여 딱정벌레가 새로운 기능을 발명하는 것이 비교적 쉽다고 생각합니다. "나는 곤충이 항상 이것을하고 있다고 생각한다"고 그는 말했다. "그들은 항상 페로몬 생산 세포 나 방어선의 작은 패치를 진화시키고 있습니다." 이것은 왜 글 랜드 세포가 모든 동물에서 가장 빠르고 수렴적으로 진화하는 유형의 세포 중 하나인지 설명 할 수 있습니다.
Rove 딱정벌레는 역사상 초기의 방어로 지방산 유도체를 진화시킬 가능성이 있지만, 알칸 및 에스테르와 같은 화합물은 그 자체로 포식자를 반발하는 데 특히 좋지 않습니다. 벤조 퀴논은 특정 통증 수용체에 결합하고 활성화하기 때문에 진정한 열쇠입니다. Parker는 화학 방어 에이 두 번째 구성 요소를 추가 한 것은“반드시 거대 진화 결과를 가져 왔을 것”이라고 Parker는 말했다. Parker는 말했다. 왜 Benzoquinones를 만드는 Rove Beetles의 지점에 17,000 종의 종을 가지고있는 반면, 몇 가지 자매 지점은 수십 명에 불과하지 않은 이유를 설명 할 수있다.
. .용매 세포는 외골격 막 세포로부터 명확하게 유래되는 반면, 새로운 벤조 퀴논 생성 세포의 발달 기원은 여전히 신비하다. 그러나, 연구자들은 벤조 퀴논 생성 세포가 외분비의 큐티클을 강화하고 어둡게하는 "태닝"공정에서 효소와 관련된 높은 수준의 2 개의 효소를 발현한다는 것을 발견했다. 그들이 효소를 침묵시키기 위해 RNA 간섭을 사용했을 때, 연구원들은 딱정벌레가 더 이상 벤조 퀴논을 생성 할 수 없다는 것을 발견했다.
요컨대, 큐티클 태닝을 위해 처음에 진화 한 효소는 방어선에서 재배치 된 것으로 보인다. Parker는“이것은 한 맥락에서 일하도록 진화 한 카세트이며, 다른 상황에서 재배치 할 때 매우 효과적으로 함께 기능합니다.
그러나 벤조 퀴논은 알칸과 에스테르가 없을 때 진화했다면 딱정벌레에 대한 효과적인 방어가 아니었을 것이다. 벤조 퀴논은 고체입니다. 그들은 포식자에 뿌려 지거나 번지려면 탄소 용매에 용해되어야합니다.
Parker는 용매 세포가 벤조 퀴논 만들기 글 랜드 세포가 등장 할 기회가 생겼다는 것이 진화 한 후에야라고 생각합니다. "갑자기, 당신은 정말 효과적인 화학 방어 메커니즘을 가지고 있습니다." "장기의 기능을 바꾸는 두 번째 세포 유형을 얻 자마자 두 가지를 서로 함께 모을 단위로 묶습니다."
.이 두 가지 원칙, 즉 세포를위한 새로운 생리 학적 틈새의 생성과 고대 유전자 회로의 재구성이 딱정벌레 이외의 종에서 작동한다는 증거가 있습니다. 몇 년 전, 오클리는 눈의 진화를 연구하면서 직장에서 그들을 보았습니다.
Oakley와 그의 동료들은이 9 가지 경우에, 광 수용체 세포, 안료 세포 및 렌즈 세포의 많은 분자 성분이 빛에 대한 스트레스 반응에서 이전 역할을했음을 발견했다. 예를 들어, 크립토 크롬 유전자의 원래 역할은 자외선의 에너지를 사용하여 DNA 손상을 복구하는 것이 었습니다. 크립토 크롬이 많은 빛을받은 Cnidarian 신체의 영역에서 고도로 발현되면서, 그 유전자의 변형 사본은 동물의 일주기 리듬을 설정하는 데 도움이되는 광 수용체로 진화했습니다.
스트레스 하에서 진화하는
Oakley는 빛으로부터 스트레스에 대처하는 유사한 메커니즘이 점차적으로 감광성 세포를 광 수용체로 형성 할 수 있다고 의심합니다. 이는 UV 보호 안료 세포가 광 수용체 세포를 보호하기 위해 진화 한 추가 사건을 시작할 수 있었으며, 차폐는 광 수용체 세포가 강도뿐만 아니라 입사광의 방향을 감지 할 수있는 기회를 제공했다. 방향성을위한 능력은 렌즈가 방향 정보를 미세 조정하기 위해 진화 할 수있는 기회를 만들었습니다. 렌즈는 많은 열 충격 단백질과 함께 결정화되는 해독 효소의 결과 인 것 같습니다.
Oakley는“몇 번이고 강한 스트레스, UV 스트레스 및 산화 손상과 같은 스트레스와의 연계가 빛으로 인해 발생합니다. 이 모든 것은“무엇이 거기에있는 것 - Bricolage 아이디어와 함께 일하는 원리에 적합합니다.”
.최근 Oakley는 실험실의 일부 에너지를 다른 진화론 적 혁신으로 지시했으며,이 혁신은 거의 100 배나 독립적으로 진화했습니다 :생물 발광. 바다의 작은 반딧불과 같은 생물 발광 오스트 라코드 갑각류는 생물 발광기구를 만드는 땀샘을 가지고 있습니다. 글 랜드의 한 유형의 세포는 루시퍼 라제 효소를 분비하는 반면, 두 번째 유형의 세포는 기질 바르 굴린을 분비한다. 이들 화학 물질이 분비 된 점액에서 함께 혼합 될 때, 루시퍼 라제는 바르 룰린을 산화시키고, 에너지의 변화는 빛으로 방출된다. Lisa Mesrop과 Oakley 팀의 다른 멤버들은 현재 Luciferase와 Vargulin을 만들고 분비하는 세포 유형의 기원을 이해하기 위해 노력하고 있습니다.
새로운 기관의 기원에 대한 질문은 오래되었지만, 새로운 장기가 어떻게 발전하는지에 대한 연구는 초기 단계에 있습니다. 그러나 단일 세포 RNA 시퀀싱과 같은 새로운 기술의 상승은 하이델베르크의 유럽 분자 생물학 실험실에서 세포 유형의 진화를 연구하는 Jacob Musser는“이제 우리는 실제로 유전자 적으로 무슨 일이 일어나고 있는지 조사하고 이해하는 능력을 얻기 시작했다”고 말했다. “우리는 반드시 모든 일이 진행되는 일이나 일부 데이터를 해석하는 방법에 대해 반드시 동의하지는 않습니다. 그러나 이것이 신흥 분야의 본질입니다.”
