Πώς η ζωή γίνεται ασύμμετρη
Το 2009, αφού διαγνώστηκε με καρκίνο του μαστού σταδίου 3, η Ann Ramsdell άρχισε να ψάχνει στην επιστημονική βιβλιογραφία για να δει αν κάποιος με τη διάγνωσή της θα μπορούσε να κάνει πλήρη ανάρρωση. Ο Ramsdell, αναπτυξιακός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Νότιας Καρολίνας, σύντομα βρήκε κάτι περίεργο:Οι πιθανότητες ανάκαμψης διέφεραν για τις γυναίκες που είχαν καρκίνο στον αριστερό μαστό έναντι του δεξιού. Ακόμη πιο εκπληκτικά, βρήκε έρευνα που υποδηλώνει ότι οι γυναίκες με ασύμμετρο ιστό του μαστού είναι πιο πιθανό να αναπτύξουν καρκίνο.
Η ασυμμετρία δεν είναι άμεσα εμφανής. Ωστόσο, κάτω από το δέρμα, οι ασύμμετρες δομές είναι κοινές. Σκεφτείτε πώς το έντερό μας περνάει μέσα από την κοιλιακή κοιλότητα, βλαστάνοντας ασύζευκτα όργανα καθώς προχωρά. Ή πώς η καρδιά μας, που γεννήθηκε από δύο πανομοιότυπες δομές συγχωνευμένες, στρίβεται σε μια ασύμμετρη αντλία που μπορεί ταυτόχρονα να σπρώξει αίμα πλούσιο σε οξυγόνο γύρω από το σώμα και να τραβήξει μια νέα ώθηση από τους πνεύμονες, όλα με έναν καρδιακό παλμό. Η φυσική ασυμμετρία του σώματος είναι ζωτικής σημασίας για την ευεξία μας. Όμως, όπως γνώριζε ο Ramsdell, πολύ συχνά αγνοούνταν.
Στα πρώτα της χρόνια ως επιστήμονας, η Ramsdell δεν σκέφτηκε ποτέ πολύ την ασυμμετρία. Αλλά την ημέρα της υπεράσπισης της διατριβής της, έβαλε μια δανεική διαφάνεια σε έναν προβολέα (αυτό τις ημέρες πριν από το PowerPoint). Η τσουλήθρα ήταν ενός εμβρύου νεοσσού στο στάδιο όπου η καρδιά του αρχίζει να περιστρέφεται προς τη μία πλευρά. Στη συνέχεια, μια συνάδελφος ρώτησε γιατί έβαλε τη διαφάνεια προς τα πίσω. «Είναι μια ντροπιαστική ιστορία», είπε, «αλλά ποτέ δεν είχα καν σκεφτεί την κατευθυντικότητα του κυκλώματος της καρδιάς». Η αναπτυσσόμενη καρδιά του νεοσσού μπορούσε να διακρίνει μεταξύ αριστεράς και δεξιάς, όπως και η δική μας. Συνέχισε να κάνει τη μεταδιδακτορική της έρευνα σχετικά με το γιατί η καρδιά γυρίζει στη μία πλευρά.
Χρόνια αργότερα, μετά την ανάρρωσή της, η Ramsdell αποφάσισε να αφήσει πίσω της την καρδιά και να αρχίσει να ψάχνει για ασυμμετρία στους μαστικούς αδένες των θηλαστικών. Σε μαρσιποφόρα όπως τα βαλάμπι και τα καγκουρό, διάβασε, ο αριστερός και ο δεξιός αδένας παράγουν ένα διαφορετικό είδος γάλακτος, που απευθύνεται σε απογόνους διαφορετικών ηλικιών. Αλλά οι αρχικές της μελέτες σε ποντίκια αποδείχθηκαν απογοητευτικές - ο αριστερός και ο δεξιός μαστικός αδένας τους δεν φαινόταν να διαφέρουν καθόλου.
Στη συνέχεια έκανε μεγέθυνση στα γονίδια και τις πρωτεΐνες που είναι ενεργές σε διαφορετικά κύτταρα του μαστού. Εκεί βρήκε έντονες διαφορές. Το αριστερό στήθος, το οποίο φαίνεται να είναι πιο επιρρεπές στον καρκίνο, τείνει επίσης να έχει μεγαλύτερο αριθμό μη εξειδικευμένων κυττάρων, σύμφωνα με αδημοσίευτη εργασία που υποβάλλεται σε αξιολόγηση από ομοτίμους. Αυτά επιτρέπουν στο στήθος να επιδιορθώνει τον κατεστραμμένο ιστό, αλλά επειδή έχουν μεγαλύτερη ικανότητα διαίρεσης, μπορούν επίσης να εμπλακούν στο σχηματισμό όγκων. Γιατί τα κύτταρα είναι πιο κοινά στα αριστερά, ο Ramsdell δεν έχει καταλάβει ακόμα. "Αλλά πιστεύουμε ότι έχει να κάνει με το εμβρυϊκό περιβάλλον στο οποίο μεγαλώνουν τα κύτταρα, το οποίο είναι αρκετά διαφορετικό και στις δύο πλευρές."
Ο Ramsdell και μια ομάδα άλλων αναπτυξιακών βιολόγων προσπαθούν να ανακαλύψουν γιατί οι οργανισμοί μπορούν να ξεχωρίσουν το δεξί από το αριστερό. Είναι μια περίπλοκη διαδικασία, αλλά οι βασικοί ενορχηστρωτές της ευαισθησίας της ζωής αρχίζουν να εστιάζονται πιο ξεκάθαρα.
Αριστερή στροφή
Στη δεκαετία του 1990, οι επιστήμονες που μελετούσαν τη δραστηριότητα διαφορετικών γονιδίων στο αναπτυσσόμενο έμβρυο ανακάλυψαν κάτι εκπληκτικό. Σε κάθε έμβρυο σπονδυλωτών που εξετάστηκε μέχρι στιγμής, ένα γονίδιο που ονομάζεται Nodal εμφανίζεται στην αριστερή πλευρά του εμβρύου. Ακολουθείται στενά από τον συνεργάτη του Lefty, ένα γονίδιο που καταστέλλει τη δραστηριότητα των κόμβων στα δεξιά του εμβρύου. Η ομάδα Nodal-Lefty φαίνεται να είναι η πιο σημαντική γενετική οδός που καθοδηγεί την ασυμμετρία, είπε ο Cliff Tabin, ένας εξελικτικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ που έπαιξε κεντρικό ρόλο στην αρχική έρευνα για το Nodal και το Lefty.
Τι πυροδοτεί όμως την εμφάνιση των Nodal και Lefty μέσα στο έμβρυο; Ο αναπτυξιακός βιολόγος Nobutaka Hirokawa κατέληξε σε μια εξήγηση που είναι τόσο κομψή «όλοι θέλουμε να την πιστέψουμε», είπε ο Tabin. Τα περισσότερα έμβρυα σπονδυλωτών ξεκινούν ως ένας μικροσκοπικός δίσκος. Στην κάτω πλευρά αυτού του δίσκου, υπάρχει ένα μικρό λάκκο, το δάπεδο του οποίου καλύπτεται με βλεφαρίδες - τρεμοπαίζει προεκτάσεις κυττάρων που, πρότεινε ο Hirokawa, δημιουργούν ένα ρεύμα προς τα αριστερά στο περιβάλλον υγρό. Μια μελέτη του 2002 επιβεβαίωσε ότι μια αλλαγή στην κατεύθυνση ροής θα μπορούσε επίσης να αλλάξει την έκφραση του Nodal.
Οι κατεστραμμένες βλεφαρίδες έχουν συσχετιστεί από καιρό με νόσο που σχετίζεται με ασυμμετρία. Στο σύνδρομο Kartagener, για παράδειγμα, οι ακίνητες βλεφαρίδες στην τραχεία προκαλούν δυσκολία στην αναπνοή. Περιέργως, η σωματική ασυμμετρία των ατόμων με το σύνδρομο είναι συχνά εντελώς αντίστροφη, για να γίνει μια σχεδόν τέλεια κατοπτρική εικόνα αυτού που θα ήταν διαφορετικά. Στις αρχές της δεκαετίας του 2000, οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι το σύνδρομο προκλήθηκε από ελαττώματα σε έναν αριθμό πρωτεϊνών που οδηγούν την κίνηση στα κύτταρα, συμπεριλαμβανομένων εκείνων των βλεφαρίδων. Επιπλέον, μια Φύση του 2015 Η μελέτη εντόπισε δύο δωδεκάδες γονίδια ποντικιών που σχετίζονται με βλεφαρίδες που προκαλούν ασυνήθιστες ασυμμετρίες όταν είναι ελαττωματικές.
Ωστόσο, οι βλεφαρίδες δεν μπορούν να είναι ολόκληρη η ιστορία. Πολλά ζώα, ακόμη και ορισμένα θηλαστικά, δεν έχουν βλεφαροφόρο λάκκο, είπε ο Michael Levin, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο Tufts, ο οποίος ήταν ο πρώτος συγγραφέας σε ορισμένες από τις εργασίες Nodal από το εργαστήριο του Tabin τη δεκαετία του 1990.
Επιπλέον, οι πρωτεΐνες του κινητήρα που είναι κρίσιμες για την ανάπτυξη φυσιολογικής ασυμμετρίας δεν εμφανίζονται μόνο στις βλεφαρίδες, είπε ο Levin. Συνεργάζονται επίσης με τον κυτταρικό σκελετό, ένα δίκτυο ραβδιών και κλώνων που παρέχει δομή στο κύτταρο, για να καθοδηγεί τις κινήσεις του και να μεταφέρει κυτταρικά συστατικά.
Ένας αυξανόμενος αριθμός μελετών υποδηλώνει ότι αυτό μπορεί να προκαλέσει ασυμμετρία και στα μεμονωμένα κύτταρα. «Τα κύτταρα έχουν ένα είδος χεριού», είπε ο Leo Wan, βιοϊατρικός μηχανικός στο Πολυτεχνικό Ινστιτούτο Rensselaer. «Όταν χτυπήσουν ένα εμπόδιο, ορισμένοι τύποι κελιών θα στρίψουν αριστερά ενώ άλλοι θα στρίψουν δεξιά». Ο Wan δημιούργησε μια δοκιμή που αποτελείται από μια πλάκα με δύο ομόκεντρες, κυκλικές ράχες. «Τοποθετούμε κελιά ανάμεσα σε αυτές τις κορυφογραμμές και μετά τις παρακολουθούμε να κινούνται», είπε. "Όταν χτυπούν μια από τις κορυφογραμμές, στρίβουν και η προτιμώμενη κατεύθυνση είναι καθαρά ορατή."
Ο Wan πιστεύει ότι η προτίμηση του κυττάρου εξαρτάται από την αλληλεπίδραση μεταξύ δύο στοιχείων του κυτταρικού σκελετού:της ακτίνης και της μυοσίνης. Η ακτίνη είναι μια πρωτεΐνη που σχηματίζει ίχνη σε όλο το κύτταρο. Η μυοσίνη, μια άλλη πρωτεΐνη, κινείται σε αυτά τα μονοπάτια, συχνά ενώ σέρνει και άλλα κυτταρικά συστατικά. Και οι δύο πρωτεΐνες είναι γνωστές για τη δράση τους στα μυϊκά κύτταρα, όπου είναι ζωτικής σημασίας για τη συστολή. Ο Kenji Matsuno, κυτταρικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Οσάκα, ανακάλυψε μια σειρά από αυτό που αποκαλεί «μη συμβατικές μυοσίνες» που φαίνονται καθοριστικές για την ασύμμετρη ανάπτυξη. Ο Matsuno συμφωνεί ότι οι μυοσίνες είναι πιθανό να προκαλούν κυτταρική χειρονομία.
Σκεφτείτε τη μύγα των φρούτων. Δεν έχει τόσο το βλεφαροφόρο λάκκο όσο και το Nodal, ωστόσο αναπτύσσει ένα ασύμμετρο οπίσθιο έντερο. Ο Matsuno έχει αποδείξει ότι η ευαισθησία των κυττάρων στο οπίσθιο έντερο εξαρτάται από τη μυοσίνη και ότι η χειρονομία που αντανακλάται από την αρχική κλίση των κυττάρων είναι αυτή που καθοδηγεί την ανάπτυξη του εντέρου. «Η ευελιξία των κυττάρων δεν καθορίζει μόνο τον τρόπο με τον οποίο κινούνται, αλλά και πώς κρατιούνται το ένα από το άλλο», εξηγεί. «Μαζί αυτά τα κύτταρα πάλης δημιουργούν ένα οπίσθιο έντερο που καμπυλώνει και γυρίζει ακριβώς όπως υποτίθεται». Μια παρόμοια διαδικασία περιγράφηκε στο στρογγυλό σκουλήκι C. elegans .
Το Nodal δεν είναι απαραίτητο ούτε για την ανάπτυξη όλης της ασυμμετρίας στα σπονδυλωτά. Σε μια μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Nature Communications Το 2013, ο Jeroen Bakkers, βιολόγος στο Ινστιτούτο Hubrecht στην Ολλανδία, περιέγραψε πώς η καρδιά του ψαριού ζέβρας μπορεί να καμπυλωθεί προς τα δεξιά απουσία του Nodal. Στην πραγματικότητα, συνέχισε δείχνοντας ότι το κάνει ακόμη και όταν αφαιρείται από το σώμα και εναποτίθεται σε ένα απλό πιάτο εργαστηρίου. «Αυτό που λέγεται», προσθέτει, «σε ζώα χωρίς Nodal, η καρδιά δεν μετατοπίστηκε αριστερά όπως θα έπρεπε, ούτε γύρισε σωστά. Αν και κάποια ασυμμετρία προέρχεται από μέσα, τα κύτταρα χρειάζονται τη βοήθεια του Nodal."
Πώς μιλούν τα κύτταρα
Για τον Tabin, πειράματα όπως αυτό δείχνουν ότι ενώ το Nodal μπορεί να μην είναι ολόκληρη η ιστορία, είναι ο πιο κρίσιμος παράγοντας στην ανάπτυξη της ασυμμετρίας. «Από τη σκοπιά της εξέλιξης, αποδεικνύεται ότι το σπάσιμο της συμμετρίας δεν ήταν τόσο δύσκολο», είπε. «Υπάρχουν πολλοί τρόποι για να γίνει αυτό, και διαφορετικοί οργανισμοί το έχουν κάνει με διαφορετικούς τρόπους». Το κλειδί που έπρεπε να λύσει η εξέλιξη ήταν να κάνει την ασυμμετρία αξιόπιστη και ισχυρή, είπε. "Το Lefty και το Nodal μαζί είναι ένας τρόπος για να βεβαιωθείτε ότι η ασυμμετρία είναι ισχυρή."
Ωστόσο, άλλοι πιστεύουν ότι σημαντικοί σύνδεσμοι περιμένουν να ανακαλυφθούν. Έρευνα από το εργαστήριο του Levin υποδηλώνει ότι η επικοινωνία μεταξύ των κυττάρων μπορεί να είναι ένας ανεξερεύνητος παράγοντας στην ανάπτυξη ασυμμετρίας.
Ο κυτταρικός σκελετός κατευθύνει επίσης τη μεταφορά εξειδικευμένων πρωτεϊνών στην κυτταρική επιφάνεια, είπε ο Levin. Μερικά από αυτά επιτρέπουν στα κύτταρα να επικοινωνούν ανταλλάσσοντας ηλεκτρικά φορτία. Αυτή η ηλεκτρική επικοινωνία, προτείνει η έρευνά του, μπορεί να κατευθύνει τις κινήσεις των κυττάρων καθώς και τον τρόπο με τον οποίο τα κύτταρα εκφράζουν τα γονίδιά τους. «Αν μπλοκάρουμε τα κανάλια [επικοινωνίας], η ασύμμετρη ανάπτυξη πάντα πάει στραβά», είπε. «Και χειραγωγώντας αυτό το σύστημα, καταφέραμε να καθοδηγήσουμε την ανάπτυξη σε εκπληκτικές αλλά προβλέψιμες κατευθύνσεις, δημιουργώντας βατράχους με έξι πόδια, τετράκεφαλα σκουλήκια ή βατράχια με μάτι για το έντερο, χωρίς να αλλάξουμε καθόλου το γονιδίωμά τους. P>
Η φαινομενική ικανότητα των αναπτυσσόμενων οργανισμών να ανιχνεύουν και να διορθώνουν το δικό τους σχήμα τροφοδοτεί την πεποίθηση του Levin ότι η αυτο-επισκευή μπορεί μια μέρα να είναι μια επιλογή και για τους ανθρώπους. «Κάτω από κάθε βράχο, υπάρχει ένα πλάσμα που μπορεί να επισκευάσει το περίπλοκο σώμα του μόνο του», επισημαίνει. «Εάν μπορούμε να καταλάβουμε πώς λειτουργεί αυτό», είπε ο Levin, «μπορεί να φέρει επανάσταση στην ιατρική. Πολλοί άνθρωποι πιστεύουν ότι είμαι πολύ αισιόδοξος, αλλά έχω τη μηχανική άποψη σχετικά με αυτό:Οτιδήποτε δεν απαγορεύεται από τους νόμους της φυσικής είναι δυνατό."
