Ut av en celle, mange vev - men hvordan?
Evolution news; 15. mai 2018
Oversatt herfra.
Bilde 1: Sebrafisk-foster på 28 timer, via Universitetet i Basel.

Nyheter fra Universitet i Harvard viser hvordan et sebrafisk-foster utvikler seg fra en enkelt celle til tusenvis av celler. Når du tenker på alt som må skje i riktig rekkefølge for å gjøre dette mulig, er det virkelig bemerkelsesverdig. Det er en av de mest nøye styrte sekvensene av hendelser vi kjenner til, og likevel skjer det i utviklingen av hver multi-cellulær organisme.
--Enten en orm, et menneske eller en blåhval, begynner alt multi-cellulært liv som et encellet egg. Fra denne ensomme cellen oppstår galakser av andre celler, nødvendige for å bygge en organisme, idet hver ny celle utviklet seg på rett sted til rett tid for å utføre en presis funksjon i samordning med sine naboer. Denne prestasjonen er en av de mest bemerkelsesverdige i den naturlige verden, og til tross for tiår med studier har en fullstendig forståelse av prosessen unngått biologer. [Kursiv lagt til.]

Paul Nelson viste hvordan ontogeni sammenfatter design i videoen, "Hvordan bygge en orm." -video her.

Bilde 2. Zygote-blastula

Hvert stadium - hver celledeling - selv om det er individuelt tydelig og uvitende om det hele, bidrar til en prosess som koordinerer og koreograferer samlingen av mange separat nødvendige deler for å oppnå en funksjonell slutt. "Det er den sentrale mål-rettede eller teleologiske prosessen i naturen," sier han. Ann Gauger sammenlignet det med "en Bach-fuge som splittes og vever mange stemmer sammen til en helhet."

To større organismer
På tidspunktet for Nelson's video hadde forskere bare gjort rede for alle utviklingsstiltrinnene i Caenorhabditis elegans, en én millimeter lang rundorm med ca. tusen celler. I år har forskere ved Harvard observert utviklingen av to større organismer i detalj.
--Nå, i tre grensesettende studier, publisert online 26. april i Science , rapporterer forskere fra Harvard Medical School og Harvard University hvordan de systematisk har profilert hver celle som utvikler sebrafisk og froske-embryoer for å etablere et veikart som viser hvordan en celle bygger en hel organisme.
Ved hjelp av encelle-sekvenseringsteknologi sporet forskerteamene skjebnen til de enkelte cellene i løpet av de første 24 timene i livet til et embryo. Deres analyser avslører det omfattende landskapet som gener er slått på eller av, og når, som embryonale celler, overgår til nye celle-tilstander og -typer.
Sammen viser funnene en katalog over genetiske "oppskrifter" for å generere forskjellige celletyper i to viktige modellarter og gi en hittil enestående ressurs for studiet av utviklingsbiologi og sykdom.
Ved hjelp av nye eksperimentelle og beregningsmetoder overvåket forskerne genuttrykksprofiler i hvert trinn, en celle om gangen, for 200 000 celler. Tre lag overvåket to godt studerte modellarter, sebrafisken og den vestlige klo-tående frosken, Xenopus tropicalis. Innebygde videoer viser hva de så. Harvard molekylærbiolog Alexander Schier bemerket, " Det er nesten som å gå fra å se noen få stjerner til å se hele universet.”

Lagene samplet celler på ulike stadier og sekvenserte dem for å overvåke hva messenger-RNAene gjorde. Og ved å skape mutanter, kan forskerne også se hva som skjer når den kanoniske banen er forstyrret.
--Uventet fant gruppene uavhengig at det på enkeltcellens nivå var genuttrykk det samme i mutanter og opprinnelig type, til tross for tap av en viktig signalvei. Forholdet mellom ulike celletyper endret seg imidlertid.

Bilde 3. Embryo fra mange ulike arter

Når Klein, Kirschner, Megason og kollegaer sammenlignet celle-status landskaper mellom sebrafisk og froskembryoer, så de for det meste likheter. Men deres analyser viste også mange overraskelser. En slik observasjon var at gener som markerte celle-tilstander i én art ofte var dårlige genmarkører for samme cellestatus i de andre artene.
I flere tilfeller fant de at DNA-sekvensen av et gen - og strukturen av proteinet det koder for - kunne være nesten identiske mellom arter, men har meget ulike uttrykksmønstre.
"Dette sjokket oss veldig, fordi det går imot all intuisjon vi hadde om utvikling og biologi," sa Klein. "Det var en virkelig ubehagelig observasjon. Det utfordrer direkte vår ide om hva det betyr å være en bestemt 'celletype'."
Funnene antyder at det underliggende kontrollsystemet vet hvordan man når målet, til tross for forskjeller i uttrykksmønstre underveis. En annen overraskelse var at tre-forgreningsmønsteret av celle-delinger og celle-skjebner synes altfor forenklet.
--I et annet slående funn observert lagene at prosessen med celledifferensiering i forskjellige celletyper - som vanligvis antas å forekomme i en tre-lignende struktur hvor forskjellige celletyper avgrener seg fra en felles stamcelle - kan danne "looper" så vel som grener.

For eksempel kommer nevral-kroppen - en gruppe celler som gir opphav til forskjellige vevstyper, inkludert glatte muskler, visse nevroner og kranie-relaterte ben - opprinnelig dukker opp fra nevral - og hud -forløpere, men er kjent for å generere celler som synes nesten identiske med ben og brusk-forløpere.
De nye resultatene tyder på at lignende sløyfer kan oppstå i andre situasjoner. At celler i samme tilstand kan ha svært forskjellige utviklingshistorier tyder på at vårt hierarkiske syn på utvikling som et "tre" er altfor forenklet, sa Klein.
Vi vet at mennesker er i stand til denne typen design. En formann kan omdisponere materialer eller arbeidstakere avhengig av omstendigheter, så lenge han husker hva tegningen krever. Men hvordan vet et embryo dette?

Bilde 4. Celle-struktur

Nå målet, uavhengig av stien

Alle tre lagene identifiserte cellepopulasjoner som nådde mellomliggende "beslutnings-valg" tilstander. De så på i det "celler syntes å gå ned en utviklingsbane, men så endret sin skjebne til en annen bane." Igjen bryter dette med deterministisk programmering som bare kan nå målet én vei. Noe vet hvordan man skal holde det endelige målet i sikte, uavhengig av veien.
--Klein, Megason, Kirschner og kollegaer gjorde en relatert observasjon at tidlig i utviklingen, aktiverte noen celler to forskjellige utviklingsprogrammer. Selv om de mellomliggende cellene til slutt vil adoptere en enkelt identitet, legger disse funnene til bilde av hvordan celler utvikler sin eventuelle skjebne og antydning om at det kan være faktorer, utover gener, som er involvert i styring av celle-skjebnen.

"Med multilineære celler må vi begynne å lure om deres endelige skjebne blir bestemt av noen selektiv kraft eller samhandling med miljøet, i stedet for bare genetiske program," sa Kirschner.
Alex Schiers team, som jobbet på en av sebrafisk-artiklene, var overrasket over denne fleksibiliteten til embryoet. Nyheter fra Universitetet i Basel forteller hvordan de fant at utfallet av celle-skjebnene kan endres av omstendigheter:
--Resultatene viser at det genetiske programmet som en celle følger på vei til modenhet, ikke på noen måte er skrevet i stein. "Det ser ut til at utviklingsbanen til en celle er mer fleksibel enn vi tidligere hadde forventet", sier Alex Schier. Så langt ble det antatt at utvikling av celler følger en forhåndsbestemt bane , som klinkekuler ruller nedover en bakke til de stopper på sitt forutbestemte sted. Studien antyder nå at signaler fra miljøet kan ha en stor innflytelse på cellene, at de forlater den opprinnelige banen og forandrer stien, og dermed påtar seg en ny identitet.
Dette funnet kalles til erindring romprogrammet, som kan gjøre kursrettelser på vei til et mål, når de møter uventede omstendigheter. Det var et berømt sak på Cassini-oppdraget, for eksempel når oppdrags-planleggerne fant en feil i kommunikasjonsreléet mellom fartøyet og Titan-sonden. Ved å bruke tyngdekraften til Titan til å lage en ekstra omløpsbane, endret de vinkelen på reléet, og dataene fra Titan landingsoppdraget ble lagret.

Bilde 5. Epi-genetisk nøkkel-aktivitet

Neppe et uttrykk for evolusjon
De tre artiklene i Science ligger her for zebrafisk-genuttrykks-landskap , og her for zebrafisk-utviklingsbaner , og her for Xenopus frosk-genuttrykks-dynamikk. Bare den tredje artikkelen nevner evolusjon, og noterer muligheten for at celle-identiteter ser ut til å være frakoblet gener gjennom evolusjon. "Vi fant at dette plastisitets- uttrykket er uavhengig av variasjon i proteinsekvensen selv, som overraskende koder et gens struktur fra uttrykks-mønsteret i embryoet tvers over evolusjon."

Oppsummering av disse artiklene, beskriver Elizabeth Pennisi i Science -her hvordan de tre teamene sammenlignet notater.
Når Klein, Kirschner og Megason sammenlignet resultatene for frosken og sebrafisken, fant de overraskende forskjeller. For eksempel varierte utviklingsstier til visse celletyper etter art. Og selv om aktiviteten til viktige transkripsjonsfaktorgener var lik i vanlige celletyper, var aktiviteten til andre gener i enkelte celletyper mer forskjellig enn forskerne forventet mellom de to artene.
Begge sebrafisk-teamene sporet også genaktivitet i fisk som hadde en mutasjon som ble forventet å alvorlig forstyrre utviklingen. De to gruppens forskjellige mutasjoner eliminerte helt bestemte celletyper - antagelig de direkte berørte av det ødelagte genet - men de fleste andre celler differensierte nesten normalt. Dette er bare toppen av isfjellet, når det gjelder å analysere utviklingseffekter av mutasjoner, sier Arendt.

Konklusjoner
Paul Nelson sak for intelligent design styrkes av disse nye studiene. Utviklingsprogram kan nå betraktes som mer fleksible og robuste enn tidligere antatt. Embryoer kan gjøre "kurskorrigeringer" underveis for å nå målet. Og likevel, "Ti til tjue år fra nå, kan vi fortsatt være sikre på at sebrafisk og frosker kommer til å utvikle seg etter de samme mønstrene," fortaler Klein. Målet er fast, selv om veien for å nå det er fleksibelt.
Det er også verdt å merke seg at evolusjonsteorien spilte nesten ikke spilte noen rolle i denne forsknings-innsatsen. Bare én av alle kildene som er nevnt ovenfor nevnte evolusjonen; og der var det bare et spørsmål om forslag til fremtidig studie. Faktisk var forfatterne av Xenopus-artikkelen ganske overrasket over at et gens uttrykksmønster kunne kobles fra strukturen. Hva gjør det med den gamle neo-darwinistiske mutasjons/utvalgsteori?

Videoen med Paul Nelson viser kunstnere og arkitekter som jobber med fjerne mål, og utfører individuelle oppgaver som bidrar til å nå målet. En murmester eller rørlegger trenger ikke å vite hvordan den ferdige bygningen vil se ut. Arkitekten tenkte målet i sitt sinn, i henhold til sine ferdigheter og kunnskap i forhold til kravene. Han overlater jobben til en formann som setter den ut i livet. Vi kan alle tenke på dusinvis av eksempler for denne målrettede aktiviteten. Når vi ser analogier i konstruksjonen av levende ting, kan vi gjøre en robust slutning basert på årsaker vi kjenner, til det som Doug Axe kaller "funksjonelle helheter", som viser det klare avtrykket til intelligent design i deres unnfangelse og intelligent veiledning i deres fremstilling.

Tager: C. Elegans; Douglas Axe, embryo; evolusjon; utvikling.