Celletype -et annet hinder for evolusjon av David Coppedge, 6.mai 2022.

Oversatt herfra.
[Uthevelse og kursiv lagt til av ovesetter.] Bilde 1. Bestanddeler i menneskelig genom

Når en stamcelle deler seg, må en dattercelle opprettholde sin stamcelle-egenskap (dvs. evnen til å differensiere seg til en hvilken som helst celletype) mens den andre spesialiserer seg. Der ligger enda en drøssevis med krav til koordinert handling som, hvis det går galt, kan bety katastrofe for et dyr eller menneske. Bivån at dette emnet vokser til et stort problem for evolusjonsteorien.
Forskere ved University of California i Riverside undersøkte hva som skjer når stamceller deler seg og spesialiserer seg. UCRs reporter Iqbal Pittawala -lenke, beskriver hvordan "genomorganisering påvirker celleskjebne."

-Å forstå de molekylære mekanismene som spesifiserer og opprettholder identiteten til mer enn 200 celletyper i menneskekroppen er uten tvil et av de mest grunnleggende problemene innen molekylær og cellulær biologi, med kritiske implikasjoner for behandling av menneskelige sykdommer. Sentralt i celleskjebne-beslutningsprosessen er stamceller som befinner seg i hvert vev i kroppen.
De to dattercellene står overfor et massivt organisasjonsproblem. Selv om de inneholder samme DNA-kode, vil de ta på seg separate roller i cellen. Dette betyr at tilgjengeligheten til gener mellom de to cellene må være radikalt forskjellig.

Kromatin - en pakke med DNA pakket rundt histonproteiner - gjør noen gener tilgjengelige for transkripsjon, men skjuler andre fra transkripsjonsfaktorene (ekstra proteiner) som slår på transkripsjon. Begynn å få en følelse av hvor vanskelig dette vil være. Det er titusenvis av gener og 200 celletyper som bruker spesifikke gener, men ikke andre. Hvilken prosess bestemmer hvordan kromatin vil pakke spesialistdattercellen for å gjøre gener tilgjengelig hvis det vil være en nervecelle i motsetning til en muskelcelle eller hjertecelle? Og hvordan holder systemet den andre dattercellen uendret fra den opprinnelige stamcellen?

En utfordring for en bibliotekar
Biokjemiker Sihem Cheloufi ved UCR, sammen med kollega Jernej Murn, forsket på et proteinkompleks involvert i prosessen kalt "Chromatin Assembly Factor 1" eller CAF-1. Mens du leser beskrivelsen deres, tenk på utfordringen en bibliotekar står overfor med kortkatalogen for et stort bibliotek.

"For å hjelpe CAF-1 med å sikre korrekt kromatinorganisering under celledeling, tiltrekkes en rekke transkripsjonsfaktorer til åpne områder på en DNA-sekvensspesifikk måte for å tjene som bokmerker og rekruttere transkripsjonsmaskineri for å korrigere avstamningsspesifikke gener, og sikre deres uttrykk, " hun sa. "Vi lurte på i hvilken grad CAF-1 er nødvendig for å opprettholde cellespesifikk kromatinorganisasjon under celledeling."
CAF-1 holder normalt gener tett bundet i kromatin slik at de er utilgjengelige for transkripsjonsfaktorer.

Bilde 2. En bibliotekar må kunne svare på mye (Kreditt: B.A. Miller)

For et spesifikt tilfelle så biokjemikerne på hvordan blodstamceller deler seg og spesialiserer seg til nøytrofiler - en type hvite blodceller som fungerer som en første responder mot en invasjon av patogener. De la merke til at nivåene av CAF-1 er fint balansert for å forhindre tilgang med en bestemt transkripsjonsfaktor for den avstamningen som heter ELF1. (Merk i forbifarten at hver celletype har sin egen serie av avstamningsspesifikke transkripsjonsfaktorer.) Nøytrofiler som ble kunstig fratatt CAF-1 gikk galt og glemte identiteten sin.
"Ved å se på kromatinorganisasjonen, fant vi en hel rekke genomiske steder som er avvikende åpne og tiltrekker seg ELF1 som et resultat av CAF-1-tap," sa Murn. "Vår studie peker videre på en nøkkelrolle til ELF1 i å definere skjebnen til flere blodcellelinjer."

Bilde 3. Stamceller (røde) i menneskehjerne

Kikke inn i et nøkkelhull
Når vi husker de 200 celletypene i menneskekroppen, hvordan organiserer CAF-1 kromatin til hver type? Hvordan vet den hvilke gener som skal gjøres tilgjengelige for en nyrecelle, en astrocytt i hjernen eller en levercelle? UCR-arbeidet titter inn i et nøkkelhull til et bibliotek med en stor operasjon inni. De vet ennå ikke hvordan CAF-1 "bevarer kromatintilstanden på spesifikke steder og om denne prosessen fungerer annerledes på tvers av forskjellige celletyper." Tenk på at bibliotekaren vår akkurat begynner å få tak i jobben med å ordne bøker i én fløy og så finne 200 flere vinger å administrere. Kanskje en annen analogi vil avsløre omfanget av denne utfordringen.

Bilde 4. Cellebyen -høymikroskopi fotografi

"Som en by, har genomet sitt landskap med spesifikke landemerker," sa Cheloufi. "Det ville vært interessant å vite hvordan nøyaktig CAF-1 og andre molekyler opprettholder genomets "horisont." Å løse dette problemet kan også hjelpe oss å forstå hvordan skjebnen til cellene kan manipuleres på en prediktiv måte. Gitt den grunnleggende rollen til CAF-1 i pakking av genomet under DNA-replikasjon, forventer vi at den skal fungere som en generell portvakt for cellulær identitet. Dette vil i prinsippet gjelde alle celler som deler seg på tvers av mange vev, for eksempel celler i tarmen, huden, benmargen og til og med hjernen."

Det er sikkert mye, mye mer involvert enn ett proteinkompleks kalt CAF-1. Noe må "vite" hvordan man holder en dattercelles kromatin uendret for å opprettholde stamcelle-bassenget, mens man reorganiserer kromatinet for den differensierende cellen - forutsatt at systemet også 'vet' hvilken celletype den dattercellen må bli ut av 200 muligheter. Dette innebærer et komplekst signalsystem for å utløse produksjonen av spesifikke celletyper, som må utløse den passende suiten av proteinkomplekser for å pakke kromatinet for tilgang til den celletypens avstamningsspesifikke transkripsjonsfaktorer. Differensiering fortsetter nedover en trinnvis overgang gjennom progenitorcelletilstander til den spesialiserte cellen, for eksempel en nøytrofil, resulterer. Hvor mange evolusjonister har tenkt på denne utfordringen?

Kvalitetskontrollvilkår fra Engineering
Forskningsartikkelen er publisert åpen tilgang. Det er Franklin et al., "Regulering av kromatin-tilgjengelighet av histon-chaperon CAF-1, opprettholder avstamningstrohet," i Nature Communications. Kanskje omfanget av utfordringen fikk de 21 forfatterne til å vike unna å referere til evolusjon i avisen. I stedet refererer de til "avstamningsintegritet" eller "avstamningstroskap" et dusin ganger. Dette er kvalitetskontrollbegreper fra ingeniør- og systemdesign.

Celleskjebneforpliktelse er drevet av dynamiske endringer i kromatinarkitektur og aktivitet av avstamningsspesifikke transkripsjonsfaktorer (TF-er). Kromatinmonteringsfaktor-1 (CAF-1) er en histon-anstand som regulerer kromatinarkitekturen ved å lette nukleosom-samlingen under DNA-replikasjon. Akkumulerende bevis støtter en betydelig rolle av CAF-1 i celleskjebne-vedlikehold, men mekanismene som CAF-1 begrenser avstamningsvalg er fortsatt dårlig forstått. Her undersøker vi hvordan CAF-1 påvirker kromatindynamikk og TF-aktivitet under avstamningsdifferensiering. Vi viser at CAF-1-undertrykkelse utløser rask differensiering av myeloide stam- og stamceller til en blandet avstamningstilstand. Vi finner at CAF-1 opprettholder avstamningstrohet ved å kontrollere kromatintilgjengelighet på spesifikke loki, og begrense bindingen av ELF1 TF ved nylig tilgjengelige divergerende regulatoriske elementer. Sammen dechiffrerer funnene våre nøkkeltrekk ved kromatintilgjengelighet som opprettholder avstamningsintegritet og peker på en kraftig strategi for å dissekere transkripsjonskretser som er sentrale for celleskjebneforpliktelse.

Å forvente at tilfeldige mutasjoner på en eller annen måte skal dukke opp, og deretter bli 'selektert' av en blind, formålsløs, uaktsom 'agentløs' handling" (som Neil Thomas har sagt det) for å konstruere dette komplekse systemet virker utenfor rasjonelle betraktninger. Intelligente designforskere kan imidlertid lage testbare spådommer for å veilede videre forskning. Når de vet hvordan sammenlignbare systemer lages av intelligente ingeniører - det vil si systemer som involverer koordinert omorganisering av informasjon for flere applikasjoner - kunne de forvente å finne nye typer sensorer, tilbakemeldingskretser, kvalitetskontrollsjekkpunkter eller andre funksjonelle moduler på jobb. Disse kan bestå av proteiner, proteinkomplekser, små RNA-er, sukkerarter, ioner eller kombinasjoner av dem som er i stand til å lagre eller formidle informasjon. (Merk: selv om de er automatiserte, er disse ikke 'agentløse handlinger' Agenturet er fjernet ett skritt, fra sinn til program, men et sinn med fremsyn var nødvendig for opprinnelsen.)

Bilde 5. Selvmotsigende demonstrasjon

For eksempel kan et ID-forskerteam se etter et sammenlignbart system i industrien som står overfor samme type utfordring. De kunne identifisere det minste antallet stillingsbeskrivelser som kreves for å få systemet til å fungere, og deretter se etter molekyler som utfører disse rollene i den cellulære analogen. Selv om matchingen er ufullkommen, kan ID-tilnærmingen fremme vitenskapen, fordi det forskerne lærer kan føres tilbake til biomimetisk design, noe som fører til forbedrede applikasjoner i industrien.

Stakkars Darwin. Med sin grove bevissthet om celler som deler seg som så ut som bobler som skiller seg, hadde han ingen anelse om hva han ville bli møtt med i det 21. århundre.

Om forfatteren: DAVID COPPEDGE (Bilde 6)
David Coppedge er en frilans vitenskapsreporter i Sør-California. Han har vært styremedlem i Illustra Media siden grunnleggelsen og fungerer som deres vitenskapskonsulent. Han jobbet ved NASAs Jet Propulsion Laboratory (JPL) i 14 år, på Cassini-oppdraget til Saturn, til han ble kastet ut i 2011 for å dele materiale om intelligent design, en diskriminerende handling som førte til en nasjonalt publisert rettssak i 2012. Discovery Institute støttet saken hans, men en ensom dommer dømte ham mot ham, uten forklaring. En naturfotograf, friluftsmann og musiker, David har B.S. grader i realfagsutdanning og i fysikk og holder presentasjoner om ID og andre vitenskapelige emner.

Overrsettelse og bilder ved Asbjørn E. Lund