Segmentowy plan ciała stawonogów, od owadów po pająki, od dawna fascynuje biologów ze względu na konserwatywny wygląd i różnorodne pochodzenie rozwojowe. Chociaż muszki owocowe były szeroko badane, inne stawonogi w porównywalnej skali genomicznej są mniej poznane. Nowe badanie zmienia tę sytuację poprzez zastosowanie zaawansowanych technologii jednokomórkowych, które rejestrują aktywność poszczególnych komórek jedna po drugiej, aby odkryć, w jaki sposób pojawia się segmentacja u zwykłego pająka domowego. Parasteatoda tepidariorum.
Badania przeprowadzili Takanori Akaiwa, dr Hiroki Oda i dr Yasuko Akiyama-Oda z JT Biohistory Resesarch Hall, Uniwersytetu w Osace oraz Uniwersytetu Medycznego i Farmaceutycznego w Osace. Wyniki ich badań opublikowano w Communications Biology. Wykorzystując sekwencjonowanie RNA pojedynczego jądra – technikę pomiaru, które geny ulegają transkrypcji w jądrze każdej komórki, zespół wygenerował szczegółową mapę molekularną zarodków pająków na krytycznych etapach segmentacji wzdłuż osi przednio-tylnej, czyli od głowy do ogona.
Badając stany komórek w rozdzielczości pojedynczej komórki lub obserwując rozwój na poziomie każdej pojedynczej komórki, badacze byli w stanie zaobserwować wzorce odzwierciedlające pojawianie się powtarzających się segmentów ciała. Ujawniło to, w jaki sposób komórki ektodermalne, które później dają początek naskórkowi i tkance nerwowej, układają się w sposób odpowiadający głowie, klatce piersiowej i tylnym obszarom. W praktyce wykazali, że dynamicznie ustalane wzorce ekspresji genów – instrukcje DNA dotyczące włączania i wyłączania – można wizualizować i określać ilościowo w tysiącach komórek. Niektóre wzory pojawiły się jako domeny specyficzne dla regionu, inne jako paski generowane przez falowe rozszczepienie i oscylację, a wszystkie one przyczyniają się do kształtowania ciała pająka. Pokazało to, że chociaż stawonogi mają wspólne ciało podzielone na segmenty, etapy molekularne różnią się znacznie w zależności od gatunku.
Jednym z kluczowych przełomów badań była możliwość rekonstrukcji osiowego ułożenia komórek pająka, zasadniczo odtwarzając plan ciała od głowy do ogona, wyłącznie na podstawie danych molekularnych. Ułożenie wzdłuż tej osi pozwala na wyłonienie się prawidłowej sekwencji części ciała. Jak wyjaśniła dr Akiyama-Oda: “Rekonstrukcja wzoru osiowego przy użyciu wyłącznie danych pochodzących z sekwencjonowania pojedynczego jądra nie została odnotowana u innych zwierząt. Nasze kluczowe obserwacje wskazują na spolaryzowany stan komórek ektodermy, co stanowi podstawę do tworzenia się pasków. ” To pokazuje, że pająki stanowią potężny model do badania segmentacji poza muszką owocową.
W badaniu zidentyfikowano także nowe stany komórek w mezodermie, warstwie tworzącej mięśnie i narządy wewnętrzne, oraz w endodermie, która wytwarza jelita i powiązane tkanki. Odkrycia te podkreślają różnorodność komórkową podczas rozwoju. Co ważne, analiza zespołu ujawniła ponad dwieście genów, które mogą matematycznie zrekonstruować wzory pasków segmentowych, co może pomóc w budowaniu modeli prognostycznych rozwoju embrionalnego. Modele predykcyjne to uproszczone reprezentacje, które pozwalają naukowcom testować pomysły i prognozować wyniki procesów biologicznych. Jak zauważyła dr Akiyama-Oda: „Wygenerowane tutaj ilościowe dane o wysokiej rozdzielczości dotyczące pojedynczego jądra stanowią solidną podstawę do zrozumienia różnorodnych mechanizmów leżących u podstaw segmentacji stawonogów i łączą się bezpośrednio z matematycznym modelowaniem procesów zachodzących w komórkach”.
Konsekwencje tych badań wykraczają daleko poza pająki. Akaiwa, dr Oda i dr Akiyama-Oda podkreślają, że wykazanie, że szczegółowe krajobrazy ekspresji genów, czyli mapy aktywności genów w całym organizmie, można zbudować bez polegania na ustalonych modelach, takich jak muszki owocowe, ich badania otwierają możliwości zbadania początków różnorodności rozwojowej w królestwie zwierząt. Sugeruje, że segmentacja, choć zachowana w wyniku, jest osiągana wieloma drogami, co podkreśla elastyczność ewolucji w kształtowaniu podstawowych wzorców życia.
Odniesienie do czasopisma
Akaiwa T., Oda H., Akiyama-Oda Y. „Ilościowa sekcja całego genomu podzielonego na segmenty planu ciała stawonogów w rozdzielczości pojedynczej komórki”. Biologia komunikacji, 2025; 8:913. DOI: https://doi.org/10.1038/s42003-025-08335-x
O Autorach
Takanori Akaiwa jest wschodzącym naukowcem specjalizującym się w biologii rozwojowej, komórkowej i molekularnej. Ukończył studia magisterskie w Graduate School of Science na Uniwersytecie w Kioto, a następnie rozpoczął studia doktoranckie w Graduate School of Science na Uniwersytecie w Osace, gdzie dołączył do laboratorium Ody w JT Biohistory Research Hall. Pan Akaiwa zainteresował się projektem „biologia rozwoju pająków” w laboratorium Ody. Współpracował z dr Yasuko Akiyamą-Odą nad zastosowaniem technik sekwencjonowania RNA jednokomórkowych i jednojądrowych Parasteatoda tepidariorum zarodki pająków. Nie tylko uzyskał wysokiej jakości zbiory danych, ale także opracował techniki obliczeniowe, takie jak R I Pytondo analizy zbiorów danych. Jego wysiłki przyczyniły się do wykazania możliwości sekwencjonowania RNA pojedynczego jądra w biologii rozwoju pająków. Obecnie przygotowuje pracę doktorską.
Doktor Hiroki Oda jest naukowcem i liderem grupy w JT Biohistory Research Hall, a także gościnnym profesorem w Graduate School of Science na Uniwersytecie w Osace. Zajmuje się przecinającymi się dziedzinami biologii komórkowej, rozwojowej i ewolucyjnej. Jego praca koncentruje się na zrozumieniu początków różnorodności zwierząt, a także kluczowych zmian i przejść w komórkach i systemach rozwojowych. Pierwotnie badał systemy adhezji komórka-komórka przy użyciu Drosophila melanogasterale od 2000 roku rozszerzył swój zakres na szerszą gamę zwierząt, w tym pająki. Wraz z dr Yasuko Akiyamą-Odą rozpoczął badania nad biologią rozwoju pająków z wykorzystaniem gatunku Parasteatoda tepidariorum i zademonstrował siłę tego pająka jako organizmu modelowego, zwłaszcza u stawonogów cheliceratów. Przyczynił się do rozwoju technicznego pająka, a także usprawnienia badań nad evo-devo.
Doktor Yasuko Akiyama-Oda jest naukowcem w JT Biohistory Research Hall, a także należy do Uniwersytetu Medycznego i Farmaceutycznego w Osace. Zajmuje się biologią rozwoju i ewolucji, ze szczególnym uwzględnieniem wczesnej embriogenezy stawonogów. Po pierwotnym badaniu mechanizmów różnicowania komórek w Drosophila melanogaster zarodka zainteresowała się różnorodnością systemów rozwojowych. Około 2000 roku wraz z dr Hiroki Odą rozpoczęła badania nad wczesnym rozwojem pająka domowego Parasteatoda tepidariorumi odkryli, że we wczesnym zarodku pająka istnieje źródło łamiących symetrię wydzielanych sygnałów. Z powodzeniem zastosowała interferencję rodzicielskiego RNA do analizy funkcji genów Parasteoda zarodków, co położyło podwaliny pod rozwój tego gatunku pająka jako kluczowego organizmu modelowego u stawonogów. Seria jej prac uwydatniła kontrastujące mechanizmy wczesnego rozwoju pająków i muszek owocowych, a ona nadal promuje badania obejmujące cały genom w celu dalszego wyjaśnienia różnorodności rozwojowej stawonogów.
