Denník N

Ryby nás učia o našom evolučnom pôvode

O krásach evolučnej biológie sme sa rozprávali s vývinovým biológom Petrom Fabianom a zoológom Davidom Jandzíkom, ktorí nedávno spoločne s americkými kolegami publikovali článok v špičkovom vedeckom časopise Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA (PNAS). V rozhovore poodhalia, ako prebiehal ich výskum v Spojených štátoch, a čím by mohla evolučná biológia učarovať aj vám.

Počas skorého vývinu v maternici prechádzame štádiom, keď je ľudské embryo na nerozoznanie od embrya ostatných stavovcov. Zakryte si spodné dva riadky ilustrácie nemeckého zoológa Ernsta Haeckela z roku 1874 a pozrite sa na prvý riadok. Uhádli by ste, ktoré embryo je ľudské a ktoré rybie?

Obr. 1: Ilustrácie embryí od Ernsta Haeckela (zdroj: https://en.wikipedia.org/wiki/Ernst_Haeckel#/media/File:Haeckel_Anthropogenie_1874.jpg)

Táto podobnosť vedcov neprestáva fascinovať. Ako sa naše a rybie štruktúry počas evolúcie navzájom odchýlili do takejto miery? Práve porovnávaním vývinu rôznych druhov organizmov majú vedci možnosť rozuzliť mechanizmy, ktoré viedli k evolučným anatomickým novinkám a postupne z nás spravili ľudí, akými sme dnes.

Evolučná vývinová biológia, známa aj pod označením “evo-devo” (z anglického evolutionary developmental biology), študuje zmeny v génoch, regulačných oblastiach a signálnych dráhach, ktoré kontrolujú embryonálny vývin jednotlivých druhov.

Na Slovensku takmer neznámy biologický odbor láka našich vedcov za výskumom do zahraničia. V Spojených štátoch nedávno David JandzíkPeter Fabian spolu-odhalili ďalší kúsok komplikovanej skladačky evo-devo. Vo svojom článku v PNASe opísali evolúciu žiabrového viečka ako anatomickej novinky čeľustnatých stavovcov prostredníctvom zmien v regulácii jedného vývinového génu.

Ako štúdium rýb pomáha pochopiť aj vývin nás, ľudí?

Peter: My naozaj vyzeráme ako ryby! Aj embryo ryby aj to ľudské má hlavu, telo, chvost, a v oblasti tváre a krku je séria výrazných zárezov a vypuklín, nazývaných žiabrové oblúky. Tieto sú zreteľne viditeľné počas skorého embryonálneho vývinu. U ľudí, ako aj u väčšiny rýb, sú následne prekryté výbežkom jedného z nich. U nás, ľudí, tento výbežok úplne uzavrie embryonálne štruktúry od ucha až po krk. Pôvodné žiabrové oblúky nevidíme, ale stopy po nich si môžete nahmatať ako hrtanové chrupky na krku.

Rovnako u väčšiny rýb tento výbežok prekryje zvyšné žiabrové oblúky, ale na rozdiel od ľudí toto prekrytie nikdy nezrastá s telom. Nazýva sa žiabrové viečko alebo aj skrela (anglicky operculum). Pomáha rybám pri love potravy, dýchaní a chráni dýchacie orgány – žiabre. Správny vývin tohto výbežku je jednoznačne nevyhnutný pre prežitie a rast rýb a aj nás, ľudí.

Video, ako sa formuje žiabrové viečko (zelená farba) u ryby zebričky, si môžete pozrieť tu.

Mohli by ste priblížiť prístup evo-devo?

David: Jeho významnou črtou je multi- a interdisciplinárnosť. Vo výskume kombinujeme znalosti a prístupy klasických odvetví, ako je paleontológia a morfológia, s modernými metódami funkčnej genetiky, transkriptomiky a experimentálnej embryológie. Našou ambíciou je opísať, akými mechanizmami prebiehala evolúcia stavby tela na genomickej úrovni. Snažíme sa charakterizovať gény, ich regulačné oblasti a signálne dráhy, ktoré sú zodpovedné za získanie, stratu alebo modifikáciu morfologických štruktúr. Na to využívame laboratórne experimenty, ktoré umožňujú vytvárať a analyzovať mutanty rozličných druhov živočíchov, ktoré sú od seba často vzdialené milióny rokov nezávislej evolúcie. Vďaka ich porovnávaniu dokážeme navrhovať a testovať hypotézy o možnom priebehu evolúcie aj nášho telesného dizajnu.

Čo vám teda tento prístup odhalil o regulácii vzniku žiabrového viečka a o nás samotných?

Peter: V tomto článku opisujeme objav, že gén pou3f3 je priamo zodpovedný za prítomnosť žiabrového viečka u rýb. Keď sme gén zmutovali u ryby zebričky (Danio rerio), dobre známej aj akvaristom, dokázali sme tvorbu žiabrového viečka zastaviť. Naopak, zvýšenou tvorbou proteínu kódovaného týmto génom v iných oblastiach tváre sme spôsobili vznik ektopického, teda novovytvorené “žiabrového viečka”.

Obr. 2: Obrázok živej ryby, ukazujúci aktivitu génu pou3f3 (zelená farba) v žiabrovom viečku, časti kosti a oku. Fialová farba zobrazuje bunky tvoriace kosti (zdroj: https://scx2.b-cdn.net/gfx/news/hires/2020/1-uscledstudyt.jpg)

Zaujímavé je aj to, že podobné experimenty robila príroda sama počas evolúcie. Kruhoústnice mihule žiabrové viečko nemajú, žraloky či raje ich majú päť až sedem a väčšina rýb má len jedno.

Objavenie žiabrového viečka behom evolúcie našich evolučných predkov podobných rybám uľahčilo dýchanie a lov potravy, a tak pravdepodobne aj transformáciu zo života vo vode na život na súši. Teda, ak to zveličíme, tak gén pou3f3 je možno spoluzodpovedný za našu schopnosť žiť na suchej zemi, a v konečnom dôsledku byť ľuďmi.

Obr. 3: Rôzne formy žiabrového viečka u stavovcov. (Zdroj, upravené z článku v PNAS, https://doi.org/10.1073/pnas.2011531117).

David: Mne sa na článku páči tá časť, ktorá ukazuje, že charakter žiabrového viečka u jednotlivých stavovcov koreluje so zmenami v sekvencii enhancera génu pou3f3. Je to jeden z nemnohých, ale o to jasnejších príkladov, že za evolučné inovácie sú zodpovedné zmeny v regulácii expresie vývinových génov. Vnáša to novú dynamiku do dlhodobo prebiehajúcej diskusie v evolučnej biológii – na jednej strane o zásadnom význame regulačných zmien a na druhej strane o význame nových génov, génových a genómových duplikácií v evolúcii nových štruktúr.

Ako ste sa dostali k evolučnej vývinovej biológii a čím vám učarila?

Peter: Počas PhD štúdia som prvýkrát videl, pod mikroskopom, ako sa u embrya rýb tvoria jednotlivé štruktúry, počas hodín dokonca minút. Nevedel som sa prestať na to dívať a chcel som vidieť a vedieť viac. Rovnako som fascinovaný podobnosťou embryonálneho vývinu rýb, ľudí a vlastne všetkých nás stavovcov (pozri Haeckelove ilustrácie).

David: Ja som počas dokončovania mojej diplomovej práce o anatómii hadej lebky narazil na článok, ktorý vysvetľoval beznohosť hadov zmenami v expresii vývinových génov. Tomu textu som vtedy ledva rozumel, ale fascinoval ma prístup. Že použitím metód, ktoré nám počas štúdia ukazovali na baktériách či kvasinkách, je možné hľadať odpovede na veľké evolučné otázky.

Ako vznikla vaša spolupráca?

Peter: Po mojom PhD som nastúpil na dočasnú poziciu u Dr. Roberta Černého v Prahe, kde sme spolu s Davidom spolupracovali na projektoch, ktoré boli neskôr publikované v časopisoch NatureeLife. Po jednoznačne najproduktívnejšom polroku môjho života som nastúpil do laboratória v Los Angeles, kde som sa zapojil do spomínaného projektu, na ktorom mimochodom spolupracoval aj David. Bolo to príjemné prekvapenie. Tak sme pracovali opäť spolu, hoci v inom štáte a na inom zvierati, ale na spoločnom projekte.

Obidvaja momentálne pôsobíte aj v Spojených štátoch. Aký význam má pobyt v zahraničí pre vývoj vašej kariéry?

Peter: Som presvedčený, že kľúčový. Vybavenie laboratória presne pokrýva moje potreby. A veda, to nie sú len prístroje a drahé experimenty, ale aj komunita ľudí, čo vám vedia poradiť a posunúť vás ďalej. Dôležitosť tejto skúsenosti v USA sa týka aj životných výziev a situácií, ktorým by som na Slovensku, respektíve v Európe nikdy nemusel čeliť.

David: Zásadný. Ja som síce hrdým absolventom a zamestnancom Prírodovedeckej fakulty UK v Bratislave, ale naozaj vedecky pracovať som sa naučil až vďaka zahraničným pobytom. Hoci som počas štúdia na UK stretol obdivuhodných profesorov, vedeckú inšpiráciu pre vlastnú prácu som hľadal skôr v literatúre a neskôr v spolupráci s kolegami. Ja som však do zahraničia odchádzal za vedou len čiastočne. Lákalo ma tiež dobrodružstvo života v inej krajine – hlavne v takej, v ktorej žijú moje obľúbené štrkáče. Vrelo odporúčam.

David, ty máš afiliáciu na Slovensku. Často sa hovorí, že veľká veda sa tu robiť nedá. Ako to vidíš ty?

Zjavne sa dá, keďže ju niektorí kolegovia predsa len robia, hoci pri tom musia zdolávať prekážky, ktoré si v civilizovanom vedeckom svete ani nevedia predstaviť. Na to, aby sme štandardne dosahovali výsledky porovnateľné s vyspelým vedeckým svetom však máme príliš tenké a mozaikovité podhubie tej reálnej kvality. Akútne nám chýba silná špičková vedecká inštitúcia, ktorá by talent kultivovala a koncentrovala. Ale na to dlhodobo chýba spoločenská objednávka, čo je asi aj naša chyba. Nedokážeme daňovníkom vierohodne vysvetliť ani len význam aplikovanej vedy, nieto ešte základnej, ktorá im neprináša okamžitý a očividný benefit. Na druhej strane, veda je internacionálna a pre mňa je v podstate druhoradé, či ju robím v Colorade, na Horehroní alebo trebárs v Singapure, ak tam mám vyhovujúce podmienky.

Peter, vieš si predstaviť návrat na Slovensko? Čo by si potreboval na vybavenie a chod laboratória?

Úprimne, ťažko, ale túžim po tom. Môj plán je dokončiť postdoktorandské projekty a potom sa stať vedúcim vlastného laboratória. Budem potrebovať podporu na chov rýb, špeciálny mikroskop a už spomínanú komunitu ľudí.

Na záver, čo by ste odkázali začínajúcim vedcom?

Peter: Vo vede zostanú len tí, čo v nej ostať chcú. To znamená, že ak sa pre vedu rozhodneš, tak ju rob a snaž sa vytrvať. Vedecké myslenie nie je vrodený talent, formuje sa tréningom pod správnym vedením. Aplikuj na pozície o úroveň až dve vyššie, než si myslíš, že je tvoja úroveň a rovnakou stratégiou posielaj manuskripty do časopisov.

David: Robte, čo máte radi a majte radi, čo robíte. Buďte otvorení novým myšlienkam a prístupom a učte sa od tých najlepších na svete. A nezabudnite testovať ich výsledky a zažité vedecké pravdy.

Originálny článok nájdete tu: https://www.pnas.org/content/early/2020/09/18/2011531117

pre-printovú verziu tu: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.01.27.918193v1.full 

V budúcom blogu budeme pokračovať v evo-devo a predstavíme článok v prestížnom časopise Nature, v ktorom David a jeho kolegovia skúmali evolúciu endotelínovej dráhy a jej vplyv na vývin evolučných noviniek stavovcov. 

Ak vás evo-devo zaujala, vrelo odporúčame knihu “Your inner fish” od Neila Shubina (aj vo výbornom českom preklade prof. Zbyňka Ročka ako Ryba v nás), taktiež spracovanou ako trojdielny dokument stanice PBS a knihu “The endless forms most beautiful” od Seana Carrolla.

Peter Fabian

Momentálne pôsobí ako postdok na University of Southern California v Los Angeles v laboratóriu Dr. Gagea Crumpa. Bol držiteľom Hearst fellowship, momentálne je držiteľom NIH-K99 grantu “Career Transition Award”, ktorý umožňuje vytvoriť vlastný nezávislý vedecký program a uchádzať sa o vedúce pozície. Predtým pôsobil ako postdok na katedre zoológie, Prírodovedeckej fakulty, Univerzity Karlovej v Prahe pod vedením Dr. Roberta Černého. Doktorát dokončil na Prírodovedeckej fakulte Univerzity Karlovej, odbor Vývinovej a bunkovej biológie v laboratóriu Dr. Zbyňka Kozmíka (Ústav Molekulárnej Biológie). Svoju vedeckú kariéru začal na Prírodovedeckej fakulte Univerzity Komenského v Bratislave na katedre Biochémie u doc. Antona Horvátha.

Sledujte Petra na Twitteri.

David Jandzík 

Je produktom akademického inbrídingu Katedry zoológie Prírodovedeckej fakulty UK v Bratislave, kde vyštudoval biológiu, získal doktorát zo zoológie a naďalej pôsobí ako odborný asistent a vysokoškolský učiteľ. Akademický genofond a expertízu si obohatil prestížnym kurzom MBL Embryology v americkom Woods Hole, niekoľkými zahraničnými pobytmi na Université Pierre et Marie Curie v Paríži, University of Cambridge v UK, a najmä niekoľkoročným postdoktorandským pobytom na University of Colorado Boulder, s ktorou aj naďalej úzko a produktívne spolupracuje. Ako Marie Curie Fellow strávil dva roky v Laboratóriu pre štúdium kraniofaciálnej evolúcie a vývinu Dr. Roberta Černého na Univerzite Karlovej v Prahe. Od útleho detstva je nadšeným obdivovateľom hadov.

Sledujte Davida na Twitteri.

 

S autormi sa rozprávala a blog spracovala Lenka Belicová.

_

Viac informácií o Žijem vedu nájdete tu, na Facebooku na stránke Žijem vedu, na TwitteriLinkedIne alebo Instagrame.

Žijem Vedu

Žijem Vedu je platforma, ktorá dáva priestor všetkým slovenským vedkyniam a vedcom prispieť k napredovaniu vedy na Slovensku.