Ať strom života rozkvete detaily

Jak se z jedné buňky vyvine složitý mnohobuněčný organismus? Jaké je genetické a molekulární pozadí obrovské rozmanitosti forem a tvarů, jimiž živá příroda oplývá? A jaká je evoluční historie tvorby tělních plánů? Podobné otázky si v drážďanském Ústavu Maxe Plancka pro molekulární buněčnou biologii a genetiku klade Pavel Tomančák, biolog s přesahy do řady dalších oborů — a čerstvě také ředitel brněnského konsorcia CEITEC.

Čím vás zaujala zrovna raná stadia embryonálního vývoje? Člověk by na první pohled řekl: celkem nudný hrozen buněk, zajímavé věci se odehrávají až později. — Pomůžu si výrokem hvězdy vývojové biologie Lewise Wolperta: „Nejdůležitějším obdobím vašeho života není narození, svatba nebo smrt, ale gastrulace.“ Řekl to samozřejmě v nadsázce, ale gastrulace je zkrátka zásadní vývojový proces. Pokud se během něj něco nepovede, je konec. Navíc je to proces velmi starý, společný všem mnohobuněčným živočichům. Uplatňují se při něm všechny buněčné a molekulární mechanismy, které organismy potřebují k životu. Takže když studujeme gastrulaci, objevujeme principy mající obecnou platnost. Navíc je gastrulace dobře přístupná experimentální manipulaci. Než se rozvinuly molekulární metody, většina studií ve vývojové biologii vycházela z fyzické manipulace s organismem – někde se něco odstranilo nebo přidalo a dívali jsme se, co to udělá s vývojovým procesem. Dnes se tyto manipulace dají dělat i na molekulární úrovni. V biologii je to jedno z nejzajímavějších „pískovišť“ pro vědce, které zajímají obecné principy.

Embryogeneze octomilky (Drosophila melanogaster) od gastrulace po vylíhnutí larvy, zobrazená pomocí SPIM mikroskopie z pěti úhlů, s fluorescenčně značenými buněčnými jádry. Snímkování každé 1,2 minuty, pro video byla využita mikroskopem nasbíraná data o objemu 4,1 TB. Svítící body kolem embrya jsou značky nezbytné pro registraci úhlů.

Video Stephan Preibisch

Jsou už známy všechny faktory, jimiž je vývoj embrya ovlivňován a řízen? — Díky moderním metodám zaznamenala vývojová biologie velký posun, ale vše ještě ani zdaleka nevíme. Dám vám příklad. Gastrulace je do značné míry samoorganizující se proces, probíhá nezávisle na vnějším prostředí – buňky se přeskupují a vnitřní síly formují embryo do požadovaného tvaru. Ale i díky našemu výzkumu se v současné době ukazuje, že to není tak docela pravda. Interakce s vnějším prostředím hraje i v gastrulačním procesu významnou roli.

O tom jste mluvil ve své přednášce v rámci cyklu Biologické čtvrtky ve Viničné. Sledovat videa, na nichž hmyzí embrya využívají „ukotvení“ k vnitřní straně vaječného obalu, aby zásadně změnila uspořádání buněk a celkový tvar, je opravdu fascinující. — Studujeme to na modelové drozofile, ale i na potemníkovi, což je brouk, takže poměrně vzdálený příbuzný. Ukázali jsme významný vliv interakce s vnitřní částí ochranného obalu, ve kterém se embryo vyvíjí. Tato interakce je velmi přesně regulována v prostoru a čase. Pokud k navázání embrya na vnitřní část ochranného obalu nedojde, budou gastrulační procesy dramaticky narušené. Podobně u savců, kteří se vyvíjejí v těle matky, hraje roli vztah k buněčným strukturám, které nejsou součástí embrya. Asi vůbec nejzajímavější je na tom evoluční pohled. Gastrulační pohyby jsou třeba u embryí myši a ryby za normálních okolností velmi odlišné. Musí být, protože z jednoho má vzniknout myš a z druhého ryba. Ale pokud je vyndáme z jejich přirozeného prostředí, zbavíme je kontextu, tak gastrulační pohyby začnou být velmi podobné. Myš a ryba mají mnoho společného, nesou v sobě vzpomínku na společný evoluční původ, která se těmito experimenty vyjevuje. Až interakce s okolím napomáhají k tomu, že se vyvíjejí jinak a vedou k morfologicky výrazně odlišným dospělcům. Je dobré dodat, že ono okolí si organismy vytvářejí samy, z vlastního genomu, takže je to vše velmi propletené, plné zpětných vazeb, a proto pro vědu nesmírně zajímavé.

Přednáška Pavla Tomančáka "Tribolium vrací úder" v rámci Biologických čtvrtků ve Viničné (říjen 2020).

I na zmíněných videích bylo vidět, že gastrulace probíhá u octomilky a u potemníka v některých ohledech dramaticky jinak. Čekal bych, že rané fáze evolučně tak starého procesu budou u dvou druhů hmyzu mnohem podobnější. Jaký je důvod takových rozdílů? — To je naprosto fascinující otázka, na kterou ještě nemáme úplně uspokojivou odpověď. Intuitivně by člověk řekl, že raná stadia si budou nejpodobnější, protože všechno musí začít z jedné buňky, ze zygoty. A historicky se o tom takto uvažovalo. Ale když vývojoví biologové dali dohromady všechna data, která se za více než sto let nashromáždila, ukázalo se, že je to jinak. Raná stadia včetně gastrulace se mezi organismy mění hodně a teprve někde uprostřed embryogeneze vývojové dráhy konvergují k tvaru, který je pro danou skupinu organismů typický. Tomu se říká fylotypická fáze. A pak se ty procesy začnou zase rozrůzňovat, protože dospělé organismy se u různých druhů samozřejmě liší. Je to obecný princip, kterým jsem se zabýval asi před deseti lety. Říká se tomu model přesýpacích hodin.

Gastrulace potemníka (Tribolium) zachycená light sheet mikroskopem. Fluorescenčně značená buněčná jádra.

Video Stefan Münster 

Snímky z videa zachycujícího embryogenezi korýše Parhyale hawaiiensis (light sheet mikroskop). Všechna jádra jsou označena injikovaným nukleárním proteinem.Snímky Pavel Tomančák, Anastasios Pavlopoulos

Embryogeneze mořského korýše Parhyale hawaiensis zobrazená pomocí SPIM mikroskopie (z několika úhlů, plus registrace a dekonvoluce). Všechna buněčná jádra jsou označena fluorescenční značkou, která je do embrya injikována v raném stadiu. Video zachycuje vývoj během 4,5 dne (zrychleno 10 800×).

Video Anastasios Pavlopoulos

Kvůli onomu zúžení rozmanitosti ve střední fázi embryonálního vývoje? — Ano. Tento model byl etablován na základě morfologických pozorování, my jsme stejný fenomén detekovali i na úrovni genové exprese. Sledovali jsme expresi mnoha tisíc genů u různých organismů patřících do stejné evoluční větve. V raných fázích jsme našli velké rozdíly, ve fylotypické fázi došlo ke konvergenci a pak se to zase začalo rozrůzňovat. Lze to pozorovat nejen u hmyzu, ale i u dalších skupin organismů.

Proč to tak je? — Dnes se razí myšlenka, že rané fáze vývoje jsou hodně ovlivněny tím, co do vaječné buňky vloží matka, a zmíněnými interakcemi vaječné buňky s okolím – s vaječnými obaly nebo s tkáněmi matky. Lze si to představit tak, že diverzita na úrovni dospělých jedinců se přelévá do diverzity raného vývoje. Po nějaké době matka předá kontrolu nad embryonálním vývojem genomu vznikajícího organismu. Embryo, které si potřebuje vytvořit svůj základní stavební plán, si „vzpomene“ na svou evoluční historii a procesy probíhající u různých druhů se v této fylotypické fázi začnou navzájem podobat. Může to souviset i s potřebou koordinovat vývoj jednotlivých částí embrya.