15-sekundové video ukončilo 150-ročnú vedeckú debatu

Evolučné novinky stavovcov – hlava a adenohypofýza

Počas evolúcie prichádzali stavovce, medzi ktoré patríme aj my, s čoraz nápaditejšími anatomickými novinkami. Hlava je  jednou z nich. Čeľusť, lebka a nové zmyslové orgány, ako nos, ucho, či šošovka oka, nás odlišujú od našich evolučných predkov bezstavovcov.

Čoraz zložitejšie telo si vyžadovalo presnú reguláciu rastu, metabolizmu, obsahu vody a soli, či odpovedi na stres a potrebovalo zabezpečiť synchronizáciu komplikovanejšieho reprodukčného cyklu.

Túto úlohu prevzala novovzniknutá podmozgová žľaza, respektíve jej predný lalok – adenohypofýza. Malý orgán, prepojený s časťou mozgu nazývanou hypotalamus, začal produkovať hormóny – chemické signály, ktoré dokážu prenášať informácie z jednej časti tela do inej a koordinovať uvedené procesy.

Poruchy v adenohypofýze vedú u ľudí k vážnym ťažkostiam kvôli hormonálnej nerovnováhe. Extrémnym príkladom je nadprodukcia rastového hormónu. Vtedy telo rastie do nadpriemerných rozmerov a spôsobuje, že jedinci trpia gigantizmom.

Vedcov preto adenohypofýza zaujíma a skúmajú ju z rôznych uhlov pohľadu. Peter Fabian a jeho kolegovia študovali, ako sa tento orgán vyvinul počas evolúcie stavovcov a odhalili, že týmto prístupom vieme rozšíriť naše poznanie o samotnej ľudskej hypofýze.

Endoderm či ektoderm?  – to je otázka

Počas skorého embryonálneho vývinu tvoria embryo tri zárodočné vrstvy buniek: vnútorná vrstva – endoderm, vonkajšia vrstva – ektoderm a medzi nimi nachádzajúci sa mezoderm. Bunky každej vrstvy sa ďalej špecializujú a dávajú vznik rozdielnym orgánom.

Doteraz sa v učebniciach vývinovej biológie píše, že adenohypofýza je u všetkých stavovcov tvorená výlučne z ektodermu. Vrásky na čele ale robí žľaza podobná adenohypofýze u morských bezstavovcov – kopijovcov. Táto žľaza sa nachádza pod “mozgom“ a exprimuje podobné gény, ale na rozdiel od stavovcov, vzniká prekvapivo z endodermu. Kopijovce sú stavovcom veľmi príbuzné zvieratá, ktoré sa asi najviac podobajú našim dávnym predkom. Preto sa očakávalo, že aj ich “adenohypofýza” je podobná tej našej.

Tento fakt odštartoval viac ako storočnú debatu o evolúcii našej adenohypofýzy. Vyvinula sa z pôvodnej endodermálnej štruktúry? Ale prečo je potom tvorená ektodermom? Takáto radikálna zmena zárodočnej vrstvy nedávala evolučným biológom zmysel. 

Za riešením problému do Spojených štátov

Peter Fabian sa rozhodol tento problém preskúmať. Na zmapovanie vzťahov medzi ektodermom a endodermom pri vývine adenohypofýzy zvolil laboratórne využívanú rybu, aktvaristom známu zebričku (Danio rerio). Krásna na práci so zebričkou je možnosť pozorovať jej rýchly vývin pod mikroskopom. Jednotlivé populácie buniek môžu byť relatívne ľahko označené fluorescenčnými farbami pomocou genetických metód.

Peter neodolal možnosti pracovať v jednom z najlepšie vybavených laboratórií na experimentálnu prácu so zebričkami a presťahoval sa za veľkú mláku. U profesora Crumpa na americkej University of  Southern California postupom času vznikla zbierka línií zebričky s rôznorodými značenými populáciami buniek. “Tie akoby čakali na mňa a otázku o adenohypofýze.” Peter ich preto mohol hneď použiť na experimenty.

Heuréka! Na svoje nesmierne prekvapenie Peter uvidel, že adenohypofýza je u zebričky tvorená miešaním oboch zárodočných vrstiev, ektodermu aj endodermu. Vy si tento nádherný moment môžete vychutnať v tomto 15-sekundovom videu:

Z ďalšieho experimentu vyplynulo, že nezáleží na tom, či sú bunky pôvodne z endodermu alebo ektodermu. Hlavné je, že sa nachádzajú v správnej lokalite, blízko hypotalamu, aby boli indukované na jednotlivé bunky hypofýzy.

Z týchto experimentov Peter vyvodil, že adenohypofýza mohla vznikať  pôvodne z endodermu. Predný mozog sa však u stavovcov postupne zväčšoval, a to mohlo spôsobiť, že endoderm bol v blízkosti hypotalamu nahradený ektodermom. Príroda potrebovala pracovať s tým, čo mala k dispozícii, a tak na tvorbu adenohypofýzy použila inú zárodočnú vrstvu, namiesto endodermu ektoderm. To, čo Peter pozoroval u zebričky, môže teda predstavovať (zveličene) pamiatku po evolúcii adenohypofýzy.

Záhady okolo ľudskej adenohypofýzy ešte stále nie sú odhalené

Adenohypofýza sa u ľudí, ako u všetkých iných stavovcov, tvorí z výstupku ektodermu, ktorý sa spojí s výbežkom mozgu. V tesnej blízkosti sa nachádza Sesselov vačok, výbežok endodermu, ktorého funkciu doteraz nepoznáme. Výsledky Petrovej práce naznačujú, že tento endodermálny výbežok prispieva do adenohypofýzy. Mohol by teda ovplyvňovať tvorbu a správnu funkciu adenohypofýzy a byť tak klinicky významný.

Štúdium vývinu orgánov porovnávaním evolučne vzdialených živočíchov prináša nečakané poznatky aj o nás samotných.

Publikovať prácu v prestížnom časopise ako Science je pre vedca veľká udalosť. Ako si to vnímal ty, Peter?

Je to, ako keď ste vášnivý turista a vyrobili ste si vynikajúce turistické topánky. Hoci to bola drina, máte z nich radosť, ukazujete ich kamarátom a nosíte ich na túry. Keď sa na ne pozriete, tak si spomeniete aj na šitie, aj na otlaky z vychádzok, ale aj na vrchy, ktoré vám pomohli zdolať.

Príprava publikácie je náročná, ale ak sa to podarí, prináša prestíž, pomáha získať granty. Ďalej dvíha morálku a to nielen jednotlivcom, ale aj celému laboratóriu, ba dokonca inštitútu, ktorý daný výskum zastrešil.

Na tomto mieste by som sa chcel poďakovať mojím mentorom Gagevi Crumpovi a Robertovi Černému, všetkým mojím kolegom, ktorí akýmkoľvek spôsobom prispeli k tejto štúdii. Vďaka patrí aj manželke a celej rodine za ich podporu a prítomnosť.

Originálny článok v Science nájdete tu. DOI: 10.1126/science.aba4767.

Autorom obrázkov použitých v texte je Peter Fabian.

——————————–

Peter Fabian

Momentálne pôsobí ako postdok na University of Southern California v Los Angeles v laboratóriu Dr. Gagea Crumpa. Bol držiteľom Hearst fellowship, 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.

Chcete vedieť viac o Petrovej práci? Prečítajte si rozhovor o tom, ako nás ryby učia o našom evolučnom pôvode.

S Petrom sa rozprávala a blog spracovala Lenka Belicová.

_

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