Informatie

4.4: Levenscyclus van de meercellige eukaryoot - biologie


Oorsprong van de dood

Cellen gaan niet altijd uit elkaar na mitose, maar blijven soms bij elkaar om te vormen meercellige organismen. Dit vergroot hun omvang en biedt dus een verdediging tegen roofdieren. Helaas is het niet mogelijk om de cel alleen maar groter te maken, omdat de echt grote cel dat wel zal hebben minder oppervlakte (in verhouding tot het volume), daarom zal het meerdere problemen hebben met fotosynthese, ademhaling en andere processen die verband houden met het celoppervlak. Maar veel cellen samen zullen het oppervlak groot genoeg maken (Figuur (PageIndex{1})). Meercellig organisme heeft twee groeiwijzen: het lichaam schalen en cellen vermenigvuldigen.

Afbeelding (PageIndex{1}) Oorsprong van meercelligheid. Het is niet haalbaar om alleen de cel te vergroten, het oppervlak is te klein. Maar als cellen na mitose niet uit elkaar gaan, kunnen ze het lichaam vormen dat groot genoeg is om aan roofdieren te ontsnappen. Dit zorgt ook voor een nieuwe groeiwijze en mogelijkheid tot arbeidsverdeling (gekleurde cellen).

Dankzij multicellulariteit kunnen deze cellen ook de arbeid verdelen en samenwerken. Dit is uiterst belangrijk voor de toekomstige evolutie.

Cellen in het meercellige lichaam zijn niet voor altijd met elkaar verbonden. Soms ontsnappen een of enkele cellen en beginnen een nieuw lichaam. Deze body zal een exacte kopie (kloon) zijn van de vorige (vegetatieve voortplanting). Het is ook mogelijk dat wanneer deze “ontsnapte cellen” de andere weg gaan: ze worden “seksafgevaardigden”, gameten. Alle gameten willen syngamie en deze cellen zullen zoeken naar de partner van dezelfde soort, maar met een ander genotype. In het geval van heterogamie en oogamie is het gemakkelijk te herkennen omdat geslachten een hint zullen geven: het mannetje gaat op zoek naar het vrouwtje. Bij isogamie zoeken gameten de partner met verschillende oppervlakte-eiwitten. Nadat ze eindelijk paren, verschijnt een diploïde cel (zygote). Zygote kan overwinteren en vervolgens meiotisch delen. Dit is de eenvoudigste levenscyclus van een meercellig organisme (Figuur (PageIndex{2})), vrij gelijkaardig aan de hierboven besproken cyclus voor eencellig organisme.

Afbeelding (PageIndex{2}) De oudste levenscyclus van het meercellige organisme. Zygote groeit niet, het deelt meiotisch. Somatische (“grijze”) cellen gaan dood, alleen kiemcellen dragen hun DNA over aan toekomstige generaties.

Vaak begint de zygote echter mitotisch te groeien en te delen, waardoor het diploïde lichaam ontstaat. Er zijn twee redenen om meercellig lichaam uit zygote te maken zonder meiose: (a) omdat in kan en (b) omdat diploïde beter is. "Het kan" omdat zygote al een DNA-programma bevat over het bouwen van een meercellig lichaam. Waarom diploïde beter is, wordt uitgelegd in de volgende sectie.

Als meercellig organisme bestaat uit diploïde cellen ((2n)), gebruiken we de neutrale term diplomaat. Meercellige organismen met haploïde cellen ((n)) zijn haplonten.

"Ontsnapte cellen", "geslachtsafgevaardigden", of moedercellen van gameten van het bovenstaande is een eerste fase van de taakverdeling wanneer cellen zich in twee soorten scheiden, kiemcellen en Somatische cellen. Somatische cellen zijn cellen die uiteindelijk zullen afsterven, maar kiemcellen zijn in staat om nakomelingen te geven. Het hebben van kiemcellen is niet absoluut noodzakelijk voor meercellige organismen, maar de meeste hebben goed gescheiden kiemlijnen. De oorsprong van de dood is dus direct verbonden met deze scheiding: somatische cellen zijn niet nodig voor toekomstige generaties. Eencellige organismen zijn potentieel onsterfelijk, en hetzelfde zijn kankercellen die ook uit het organisme ontsnappen (maar ze kunnen de nieuwe niet maken).

De levenscyclus van meercellige organismen kan worden beschreven vanaf haplont (Figuur (PageIndex{3})). Wanneer de omgevingsomstandigheden gunstig zijn, heeft het vegetatieve reproductie. Een variant van vegetatieve reproductie is dat cel (mitospore) scheidt zich van een haplont, verdeelt zich vervolgens in meer cellen en wordt een nieuwe haplont. Soms worden hele brokken gescheiden en groeien ze uit tot nieuwe haplonten. Wanneer de omstandigheden veranderen, kan haplont de seksuele voortplanting starten: syngamie. In syngamie scheidt een gameet zich van het haplont en verenigt het zich met een gameet van een ander haplont. Samen vormen gameten een zygote. Deze zygote kan rechtstreeks naar meiose gaan (zoals gebeurt bij eencellige eukaryoten), maar vaker zal de zygoot groeien, mitotisch delen en uiteindelijk een diplont worden. Deze diplont kan oppervlakkig gezien bijna identiek zijn aan haplont, maar elke cel ervan bevat een diploïde kern (elk chromosoom heeft een paar). Diplont (vergelijkbaar met haplont) kan zichzelf vegetatief reproduceren (klonen maken): cel scheidt zich van een diplont, deelt zich vervolgens mitotisch in meer cellen en wordt een nieuwe diplont.

De diplont is ook in staat tot ongeslachtelijke voortplanting: er kan een cel zijn die zich scheidt van een diplont en zich deelt met meiosis het creëren van vier sporen, elk van hen zal uitgroeien tot haplont.

Afbeelding (PageIndex{3}) Algemene levenscyclus. Het haploïde deel bevindt zich links, diploïde rechts, syngamie bovenaan, meiose onderaan. De letter "M" wordt gebruikt om mitose te labelen.

Sporische, zygotische en gametische levenscycli

De hierboven beschreven levenscyclus is de sporisch levenscyclus (Figuur (PageIndex{4})). Organismen met een sporische levenscyclus hebben zowel diplont als haplont, gelijk of ongelijk ontwikkeld.

Afbeelding (PageIndex{4}) Sporic levenscyclus. Overzicht. Het haploïde deel bevindt zich links, diploïde rechts, syngamie bovenaan, meiose onderaan.

In totaal zijn er drie soorten levenscycli: sporisch, zygotisch, wat het meest lijkt op eencellig en het meest primitief; en gametic, dat wordt gebruikt door dieren en enkele protisten (Figuur (PageIndex{5})). De jukbeen levenscyclus begint met syngamie en gaat naar meiose. Het heeft geen diploma. gametisch levenscyclus gaat van meiose naar syngamie. Het heeft geen haplont.

Protisten hebben alle drie soorten levenscycli, terwijl hogere groepen er slechts één hebben. Dieren vertonen een gametische cyclus, terwijl planten(_2) de meer primitieve sporencyclus behielden.

Evolutie van levenscycli

Het meest opvallende verschil tussen eencellige en meercellige levenscycli is dat de zygote van een meercellig organisme een diploïde lichaam (diplont) kan gaan maken dat soms visueel bijna identiek is aan haplont. Dit komt omdat in het evolutionaire perspectief diplonts "beter" zijn dan haplonten. Een frequente situatie van gendominantie laat slechts één variant (allel) van het gen werken, die het organisme kan redden van dodelijke mutaties. Een groter aantal genen zou kunnen helpen om meer eiwitten te maken. Een derde reden is dat de genomen van diplomaten diverser zijn. Het ene gen is mogelijk bestand tegen één groep aandoeningen en de andere variant kan een andere reeks mogelijke aandoeningen hebben. Daarom kan diplont profiteren van de mogelijkheden van beide genetische varianten.

Afbeelding (PageIndex{5}) De evolutie van levenscycli (groene pijlen vertegenwoordigen vijf evolutionaire overgangen) van eencellige zygotische naar meercellige gametic door verschillende varianten van sporische cycli.

Als gevolg hiervan gaat de evolutie van levenscycli van zygotisch (vergelijkbaar met eencellig) naar de sporische cyclus (Figuur (PageIndex{6})), en vervolgens naar de meer en meer uitgesproken dominantie van diplont, en uiteindelijk naar de volledige vermindering van haplont, gametische levenscyclus. Het is nog steeds een open vraag hoe zygotische protisten evolueerden naar de sporische kant. Hoogstwaarschijnlijk wilde zygote (die per definitie diploïde is) meiotisch niet delen. In plaats daarvan groeit het (wat bij sommige protisten wordt gezien) en deelt het zich mitotisch, waardoor de diplont wordt geboren. Dit is hoe de eerste sporische cyclus begon. De laatste stap van deze evolutionaire keten was een volledige reductie van haplont: na meiose werden sporen vervangen door gameten die onmiddellijk naar syngamie gaan.

Levenscyclus van Vegetabilia

Voorouders van Vegetabilia (planten(_2)) waren groene algen met een zygotische levenscyclus. Je kunt je voorstellen dat hun zygote begon te groeien omdat deze organismen ondiepe wateren bewoonden en wilden dat hun sporen met een wind verspreid werden. Een manier om dit te laten gebeuren is om de sporen op de stengel van de plant te hebben. Dit is waarschijnlijk de reden

Afbeelding (PageIndex{6}) De evolutie van levenscycli (groene pijlen vertegenwoordigen vijf evolutionaire overgangen) van eencellige zygotische naar meercellige gametic door verschillende varianten van sporische cycli.

van zygote groei: primordiale diplonten van planten(_2) waren gewoon sporangia, structuren die sporen dragen. Toen begonnen de voordelen van de hierboven beschreven diploïde toestand te verschijnen, en deze primitieve planten gingen op weg naar haplontreductie. Sommige Vegetabilia (levermossen, mossen en hoornmossen) hebben echter nog steeds haplont-dominantie. Dit komt waarschijnlijk omdat hun haplonten zijn poikilohydrisch (dit wordt uitgelegd in de volgende hoofdstukken), aanpassing die gunstig is voor kleine planten.

De levenscyclus van planten(_2) is sporisch, maar de wetenschappelijke traditie gebruikt plantgerelateerde namen voor de stadia. De cyclus (Figuur (PageIndex{7})) begint met een diplont genaamd a sporofyt, die sporen produceert. Sporophyte beren a sporangium, waarin moedercel van sporen gebruikt meiose om sporen te maken. De sporen ontkiemen en groeien uit tot haplont genaamd gametofyt. Gametofyt produceert gameten, met name een spermatozoa (of gewoon "sperma's") en een eicel (eicel). Deze gameten worden ontwikkeld in speciale organen—gametangia. Gametangium dat mannelijke gameten (sperma's) bevat, wordt genoemd antheridium, en vrouwelijk gametangium is archegonium, de laatste bevat normaal gesproken slechts één eicel (eicel).

Door syngamie (oogamie in dit geval) vormen de twee gameten een zygote. Volgende, een jonge sporofyt groeit op de gametofyt, en ten slotte begint de cyclus opnieuw. Nogmaals, sporofyt van Vegetabilia begint zijn leven als een parasiet op gametofyt. Zelfs bloeiende planten hebben dit stadium genaamd embryo-. Misschien is dit de reden waarom de gametofyt van planten(_2) nooit volledig is gereduceerd om hun cyclus om te zetten in gametic. Zelfs in de meest geavanceerde plantenlijnen hebben hun mannelijke (die alleen sperma maakt) en vrouwelijke gametofyten respectievelijk minimaal 3 en 4 cellen, maar niet 0!

Afbeelding (PageIndex{7}) Levenscyclus van landplanten. Rode kleur wordt gebruikt voor innovaties, in vergelijking met eerdere (algemene) levenscyclusschema's.


Geweldig oxidatie-evenement

De Geweldig oxidatie-evenement (GOE), soms ook wel de Geweldig Oxygenatie-evenement, was een periode waarin de atmosfeer van de aarde en de ondiepe oceaan voor het eerst een stijging van zuurstof ervoeren, ongeveer 2,4-2,0 Ga (miljard jaar geleden) tijdens het Paleoproterozoïcum. [2] Geologisch, isotopisch en chemisch bewijs suggereert dat biologisch geproduceerde moleculaire zuurstof (dizuurstof, O2) begon zich op te hopen in de atmosfeer van de aarde en veranderde deze van een zwak reducerende atmosfeer in een oxiderende atmosfeer, [3] waardoor veel bestaande soorten op aarde uitstierven. [4] De cyanobacteriën die de zuurstof produceren, veroorzaakten de gebeurtenis, die de daaropvolgende ontwikkeling van meercellige levensvormen mogelijk maakte. [5]

  • Fase 1 (3,85-2,45 Ga): praktisch geen O2 in de atmosfeer. De oceanen waren ook grotendeels anoxisch met de mogelijke uitzondering van O2 in de ondiepe oceanen.
  • Fase 2 (2,45-1,85 Ga): O2 geproduceerd, oplopend tot waarden van 0,02 en 0,04 atm, maar geabsorbeerd in oceanen en zeebodemgesteente.
  • Fase 3 (1,85-0,85 Ga): O2 begint uit de oceanen te vergassen, maar wordt geabsorbeerd door landoppervlakken. Geen significante verandering in zuurstofniveau.
  • Fase 4 en 5 (0,85 Ga – heden): Overige O2 reservoirs gevuld gas hoopt zich op in de atmosfeer. [1]

Protisten: evolutie en ecologie van microbiële eukaryoten

Het leven op aarde lijkt te worden gedomineerd door hogere planten en dieren. Toch zwermen er een enorme verscheidenheid aan microbiële eukaryoten in het gebladerte, gras, bodem, moerassen, vijvers, beken, meren en oceanen. Deze onopvallende organismen zijn flagellaten, algen, ciliaten, sarcodines, slijmzwammen, apicomplexans. Deze assemblage wordt over het algemeen de protisten genoemd. Onze cursus is om een ​​alomvattend beeld te krijgen van de protistan diversiteit. De belangrijkste stappen van de eukaryote evolutie zullen centraal staan. Door fylogenetische affiniteiten in protistan-lijnen te volgen, zullen we de belangrijkste takken op de boom van het eukaryote leven ophelderen.

Veel protisten zijn eencellig. Deze enkele cel is tegelijkertijd een zelfvoorzienend organisme, dat zelf een aanval kan waarnemen, verplaatsen, voeden en afslaan. Daarom vertonen protistancellen vaak een grotere complexiteit van organellen, structuren en controles dan de gespecialiseerde cellen van metazoaire dieren en hogere planten. We zullen onderzoeken hoe vrijlevende en parasitaire eencells voortbeweging, voedselverwerving, spijsvertering, osmotische regulatie implementeren en hoe ze hun levenscyclus volbrengen. We zullen ook onderzoeken hoe protisten omgaan met de omgeving en erin slagen om biologisch succes te worden. Binnen de zes modules zullen we spreken over (1) wat protisten zijn, (2) flagellaten, (3) sarcodines en slijmzwammen, (4) ciliaten, (5) apicomplexanen en microsporidianen, en (6) ten slotte gaan we in op de moderne fylogenie, zal levensgeschiedenissen samenvatten en evolutionaire trends in vrijlevende en parasitaire protisten bespreken. Deze online cursus heeft een optionele uitbreiding op de campus, wanneer de studenten een week praktische oefeningen in het lab hebben. Met behulp van lichtmicroscopie zullen ze levende exemplaren en vaste rijen naakte en testaatamoeben, foraminiferen, radiolariërs, heliozoën, myxomyceten, flagellaten, ciliaten, gregarines en coccidianen observeren, onderzoeken en documenteren.


Inhoud

Het concept van de eukaryoot is toegeschreven aan de Franse bioloog Edouard Chatton (1883-1947). De termen prokaryoot en eukaryoot werden in 1962 meer definitief opnieuw geïntroduceerd door de Canadese microbioloog Roger Stanier en de Nederlands-Amerikaanse microbioloog C.B. van Niel. In zijn werk uit 1937 Titres et Travaux Scientifiques, [17] Chatton had de twee termen voorgesteld en noemde de bacteriën prokaryoten en organismen met kernen in hun cellen eukaryoten. Hij noemde dit echter in slechts één alinea, en het idee werd in feite genegeerd totdat zijn verklaring werd herontdekt door Stanier en van Niel. [18]

In 1905 en 1910 betoogde de Russische bioloog Konstantin Mereschkowski (1855-1921) dat plastiden gereduceerde cyanobacteriën waren in een symbiose met een niet-fotosynthetische (heterotrofe) gastheer die zelf werd gevormd door symbiose tussen een amoebe-achtige gastheer en een bacterie-achtige cel die de kern heeft gevormd. Planten hadden dus fotosynthese geërfd van cyanobacteriën. [19]

In 1967 leverde Lynn Margulis microbiologisch bewijs voor endosymbiose als de oorsprong van chloroplasten en mitochondriën in eukaryote cellen in haar paper, Over de oorsprong van mitoserende cellen. [20] In de jaren zeventig onderzocht Carl Woese de microbiële fylogenetica, waarbij hij variaties in 16S-ribosomaal RNA bestudeerde. Dit hielp bij het blootleggen van de oorsprong van de eukaryoten en de symbiogenese van twee belangrijke eukaryote organellen, mitochondriën en chloroplasten. In 1977 introduceerden Woese en George Fox een "derde vorm van leven", die zij in 1990 de Archaebacteria noemden. Woese, Otto Kandler en Mark L. Wheelis noemden dit de Archaea. [21] [18]

In 1979 suggereerden G.W. Gould en G.J. Dring dat de kern van de eukaryote cel voortkwam uit het vermogen van Firmicute-bacteriën om endosporen te vormen. In 1987 en latere artikelen stelde Thomas Cavalier-Smith in plaats daarvan voor dat de membranen van de kern en het endoplasmatisch reticulum eerst werden gevormd door het plasmamembraan van een prokaryoot in te vouwen. In de jaren negentig stelden verschillende andere biologen endosymbiotische oorsprong voor de kern voor, waardoor de theorie van Mereschkowski effectief nieuw leven werd ingeblazen. [19]

Eukaryotische cellen zijn meestal veel groter dan die van prokaryoten, met een volume van ongeveer 10.000 keer groter dan de prokaryotische cel. [22] Ze hebben een verscheidenheid aan interne membraangebonden structuren, organellen genaamd, en een cytoskelet bestaande uit microtubuli, microfilamenten en intermediaire filamenten, die een belangrijke rol spelen bij het bepalen van de organisatie en vorm van de cel. Eukaryotisch DNA is verdeeld in verschillende lineaire bundels, chromosomen genaamd, die tijdens de nucleaire deling worden gescheiden door een microtubulaire spil.

Intern membraan

Eukaryote cellen omvatten een verscheidenheid aan membraangebonden structuren, gezamenlijk aangeduid als het endomembraansysteem. [23] Eenvoudige compartimenten, blaasjes en vacuolen genaamd, kunnen zich vormen door andere membranen af ​​te stoten. Veel cellen nemen voedsel en andere materialen op via een proces van endocytose, waarbij het buitenmembraan invagineert en vervolgens afknijpt om een ​​blaasje te vormen. [24] Het is waarschijnlijk [ citaat nodig ] dat de meeste andere membraangebonden organellen uiteindelijk zijn afgeleid van dergelijke blaasjes. Als alternatief kunnen sommige producten die door de cel worden geproduceerd, via exocytose in een blaasje achterblijven.

De kern is omgeven door een dubbel membraan dat bekend staat als de nucleaire envelop, met nucleaire poriën waardoor materiaal in en uit kan bewegen. [25] Verschillende buis- en bladachtige verlengingen van het kernmembraan vormen het endoplasmatisch reticulum, dat betrokken is bij eiwittransport en rijping. Het omvat het ruwe endoplasmatisch reticulum waar ribosomen zijn bevestigd om eiwitten te synthetiseren, die de binnenruimte of het lumen binnendringen. Vervolgens gaan ze meestal blaasjes binnen, die uit het gladde endoplasmatisch reticulum ontkiemen. [26] In de meeste eukaryoten worden deze eiwitdragende blaasjes vrijgegeven en verder gemodificeerd in stapels afgeplatte blaasjes (cisternae), het Golgi-apparaat. [27]

Blaasjes kunnen voor verschillende doeleinden gespecialiseerd zijn. Lysosomen bevatten bijvoorbeeld spijsverteringsenzymen die de meeste biomoleculen in het cytoplasma afbreken. [28] Peroxisomen worden gebruikt om peroxide af te breken, dat anders giftig is. Veel protozoën hebben samentrekkende vacuolen, die overtollig water verzamelen en verdrijven, en extrusomen, die materiaal verdrijven dat wordt gebruikt om roofdieren af ​​​​te weren of prooien te vangen. In hogere planten wordt het grootste deel van het celvolume ingenomen door een centrale vacuole, die voornamelijk water bevat en voornamelijk zijn osmotische druk handhaaft.

Mitochondriën

Mitochondriën zijn organellen die in op één na alle eukaryote [noot 1] worden aangetroffen. Mitochondriën leveren energie aan de eukaryote cel door suikers of vetten te oxideren en energie vrij te maken als ATP. [30] Ze hebben twee omringende membranen, elk een fosfolipide dubbellaag waarvan de binnenste is gevouwen tot instulpingen die cristae worden genoemd, waar aerobe ademhaling plaatsvindt.

Het buitenste mitochondriale membraan is vrij permeabel en laat bijna alles toe om de intermembrane ruimte binnen te gaan, terwijl het binnenste mitochondriale membraan semi-permeabel is, zodat slechts enkele noodzakelijke dingen in de mitochondriale matrix kunnen komen.

Mitochondriën bevatten hun eigen DNA, dat structurele overeenkomsten vertoont met bacterieel DNA, en dat codeert voor rRNA- en tRNA-genen die RNA produceren dat qua structuur dichter bij bacterieel RNA ligt dan bij eukaryoot RNA. [31] Nu wordt algemeen aangenomen dat ze zijn ontwikkeld uit endosymbiotische prokaryoten, waarschijnlijk proteobacteriën.

Sommige eukaryoten, zoals de metamonaden zoals Giardia en Trichomonas, en de amoebozoan Pelomyxa, lijken mitochondriën te missen, maar ze bleken allemaal mitochondrion-afgeleide organellen te bevatten, zoals hydrogenosomen en mitosomen, en hebben dus secundair hun mitochondriën verloren. [29] Ze verkrijgen energie door enzymatische werking op voedingsstoffen die uit de omgeving worden opgenomen. de metamonade Monocercomonoides heeft ook, door laterale genoverdracht, een cytosolisch zwavelmobilisatiesysteem verkregen dat de clusters van ijzer en zwavel levert die nodig zijn voor eiwitsynthese. De normale mitochondriale ijzer-zwavelclusterroute is secundair verloren gegaan. [29] [32]

Plastiden

Planten en verschillende groepen algen hebben ook plastiden. Plastiden hebben ook hun eigen DNA en zijn ontwikkeld uit endosymbionten, in dit geval cyanobacteriën. Ze hebben meestal de vorm van chloroplasten die, net als cyanobacteriën, chlorofyl bevatten en organische verbindingen (zoals glucose) produceren door middel van fotosynthese. Anderen houden zich bezig met het bewaren van voedsel. Hoewel plastiden waarschijnlijk een enkele oorsprong hadden, zijn niet alle plastidebevattende groepen nauw verwant. In plaats daarvan hebben sommige eukaryoten ze van anderen verkregen door secundaire endosymbiose of inname. [33] Het vangen en vastleggen van fotosynthetische cellen en chloroplasten komt voor in veel soorten moderne eukaryote organismen en staat bekend als kleptoplastiek.

Endosymbiotische oorsprong zijn ook voorgesteld voor de kern en voor eukaryote flagella. [34]

Cytoskeletstructuren

Veel eukaryoten hebben lange slanke beweeglijke cytoplasmatische projecties, flagella genaamd, of soortgelijke structuren die cilia worden genoemd. Flagella en cilia worden soms undulipodia genoemd [35] en zijn op verschillende manieren betrokken bij beweging, voeding en sensatie. Ze bestaan ​​voornamelijk uit tubuline. Deze zijn volledig verschillend van prokaryotische flagellen. Ze worden ondersteund door een bundel microtubuli die voortkomt uit een centriol, karakteristiek gerangschikt als negen doubletten die twee singlets omringen. Flagella kan ook haren hebben, of mastigonemes, en schubben die membranen en interne staven met elkaar verbinden. Hun interieur loopt door met het cytoplasma van de cel.

Microfilamentstructuren die zijn samengesteld uit actine en actine-bindende eiwitten, bijv. α-actinine, fimbrine en filamine, zijn ook aanwezig in submembraneuze corticale lagen en bundels. Motoreiwitten van microtubuli, bijvoorbeeld dyneïne of kinesine en actine, bijvoorbeeld myosinen, zorgen voor een dynamisch karakter van het netwerk.

Centriolen zijn vaak zelfs aanwezig in cellen en groepen die geen flagella hebben, maar coniferen en bloeiende planten hebben geen van beide. Ze komen over het algemeen voor in groepen die aanleiding geven tot verschillende microtubulaire wortels. Deze vormen een primair onderdeel van de cytoskeletstructuur en worden vaak geassembleerd in de loop van verschillende celdelingen, waarbij één flagellum wordt behouden van de ouder en de andere ervan is afgeleid. Centriolen produceren de spil tijdens nucleaire deling. [36]

Het belang van cytoskeletstructuren wordt onderstreept bij de bepaling van de vorm van de cellen, evenals het feit dat ze essentiële componenten zijn van migratiereacties zoals chemotaxis en chemokinese. Sommige protisten hebben verschillende andere door microtubuli ondersteunde organellen. Deze omvatten de radiolaria en heliozoa, die axopodia produceren die worden gebruikt bij het drijven of om prooien te vangen, en de haptofyten, die een eigenaardig flagellum-achtig organel hebben dat het haptonema wordt genoemd.

Celwand

De cellen van planten en algen, schimmels en de meeste chromalveolaten hebben een celwand, een laag buiten het celmembraan, die de cel structurele ondersteuning, bescherming en een filtermechanisme geeft. De celwand voorkomt ook overexpansie wanneer water de cel binnenkomt. [37]

De belangrijkste polysachariden die de primaire celwand van landplanten vormen, zijn cellulose, hemicellulose en pectine. De cellulosemicrofibrillen zijn verbonden via hemicellulosische koorden om het cellulose-hemicellulosenetwerk te vormen, dat is ingebed in de pectinematrix. De meest voorkomende hemicellulose in de primaire celwand is xyloglucaan. [38]

Er zijn veel verschillende soorten eukaryote cellen, hoewel dieren en planten de meest bekende eukaryoten zijn en dus een uitstekend startpunt vormen voor het begrijpen van de eukaryote structuur. Schimmels en veel protisten hebben echter enkele substantiële verschillen.

Dierlijke cel

Alle dieren zijn eukaryoot. Dierlijke cellen onderscheiden zich van die van andere eukaryoten, met name planten, omdat ze geen celwanden en chloroplasten hebben en kleinere vacuolen hebben. Door het ontbreken van een celwand kunnen dierlijke cellen in allerlei vormen veranderen. Een fagocytische cel kan zelfs andere structuren opslokken.

Plantaardige cel

Plantencellen verschillen nogal van de cellen van de andere eukaryote organismen. Hun onderscheidende kenmerken zijn:

  • Een grote centrale vacuole (omsloten door een membraan, de tonoplast), die de turgor van de cel in stand houdt en de beweging van moleculen tussen het cytosol en het sap regelt [39]
  • Een primaire celwand die cellulose, hemicellulose en pectine bevat, afgezet door de protoplast aan de buitenkant van het celmembraan, dit contrasteert met de celwanden van schimmels, die chitine bevatten, en de celenveloppen van prokaryoten, waarin peptidoglycanen de belangrijkste structurele moleculen zijn
  • De plasmodesmata, poriën in de celwand die aangrenzende cellen verbinden en plantencellen in staat stellen te communiceren met aangrenzende cellen. [40] Dieren hebben een ander maar functioneel analoog systeem van gap junctions tussen aangrenzende cellen. , vooral chloroplasten, organellen die chlorofyl bevatten, het pigment dat planten hun groene kleur geeft en hen in staat stelt fotosynthese uit te voeren, en zaadloze vaatplanten hebben alleen flagellen en centriolen in de zaadcellen. [41] Sperma van cycaden en Ginkgo zijn grote, complexe cellen die met honderden tot duizenden flagellen zwemmen. [42] (Pinophyta) en bloeiende planten (Angiospermae) missen de flagellen en centriolen die aanwezig zijn in dierlijke cellen.

Schimmel cel

De cellen van schimmels zijn vergelijkbaar met dierlijke cellen, met de volgende uitzonderingen: [43]

  • Een celwand die chitine bevat
  • Minder compartimentering tussen cellen de hyfen van hogere schimmels hebben poreuze scheidingswanden, septa genaamd, die de doorgang van cytoplasma, organellen en soms kernen mogelijk maken, zodat elk organisme in wezen een gigantische multinucleaire supercel is - deze schimmels worden beschreven als co-enocytisch. Primitieve schimmels hebben weinig of geen septa.
  • Alleen de meest primitieve schimmels, chytriden, hebben flagellen.

Andere eukaryote cellen

Sommige groepen eukaryoten hebben unieke organellen, zoals de cyanellen (ongebruikelijke chloroplasten) van de glaucofyten, [44] het haptonema van de haptofyten of de ejectosomen van de cryptomonaden. Andere structuren, zoals pseudopodia, worden gevonden in verschillende eukaryote groepen in verschillende vormen, zoals de lobose amoebozoën of de reticulose foraminiferen. [45]

Celdeling vindt over het algemeen ongeslachtelijk plaats door mitose, een proces waarbij elke dochterkern één kopie van elk chromosoom kan ontvangen. De meeste eukaryoten hebben ook een levenscyclus die seksuele reproductie omvat, afwisselend een haploïde fase, waarbij slechts één kopie van elk chromosoom aanwezig is in elke cel en een diploïde fase, waarbij twee kopieën van elk chromosoom in elke cel aanwezig zijn. De diploïde fase wordt gevormd door fusie van twee haploïde gameten om een ​​zygote te vormen, die zich kan delen door mitose of chromosoomreductie kan ondergaan door meiose. Er is een grote variatie in dit patroon. Dieren hebben geen meercellige haploïde fase, maar elke plantengeneratie kan bestaan ​​uit haploïde en diploïde meercellige fasen.

Eukaryoten hebben een kleinere oppervlakte/volumeverhouding dan prokaryoten, en hebben dus een lagere stofwisseling en langere generatietijden. [46]

De evolutie van seksuele reproductie kan een primordiaal en fundamenteel kenmerk van eukaryoten zijn. Op basis van een fylogenetische analyse stelden Dacks en Roger voor dat facultatief geslacht aanwezig was in de gemeenschappelijke voorouder van alle eukaryoten. [47] Een kernset van genen die functioneren bij meiose is aanwezig in beide Trichomonas vaginalis en Giardia intestinalis, twee organismen waarvan eerder werd gedacht dat ze aseksueel waren. [48] ​​[49] Aangezien deze twee soorten afstammelingen zijn van afstammelingen die vroeg afweken van de eukaryote evolutionaire boom, werd geconcludeerd dat de belangrijkste meiotische genen, en dus geslacht, waarschijnlijk aanwezig waren in een gemeenschappelijke voorouder van alle eukaryoten. [48] ​​[49] Eukaryotische soorten waarvan ooit werd gedacht dat ze aseksueel waren, zoals parasitaire protozoa van het geslacht Leishmania, is aangetoond dat ze een seksuele cyclus hebben. [50] Er zijn nu ook aanwijzingen dat amoeben, die voorheen als aseksueel werden beschouwd, van oudsher seksueel zijn en dat de meerderheid van de huidige aseksuele groepen waarschijnlijk recentelijk en onafhankelijk zijn ontstaan. [51]

In de oudheid werden de twee geslachten van dieren en planten herkend. Ze kregen van Linnaeus de taxonomische rang van Koninkrijk. Hoewel hij met enig voorbehoud de schimmels bij planten opnam, realiseerde hij zich later dat ze heel verschillend zijn en een apart koninkrijk rechtvaardigen, waarvan de samenstelling pas in de jaren tachtig helemaal duidelijk was. [52] De verschillende eencellige eukaryoten werden oorspronkelijk bij planten of dieren geplaatst toen ze bekend werden. In 1818 bedacht de Duitse bioloog Georg A. Goldfuss het woord: protozoa om te verwijzen naar organismen zoals ciliaten, [53] en deze groep werd uitgebreid totdat het alle eencellige eukaryoten omvatte, en hun eigen koninkrijk, de Protista, kreeg van Ernst Haeckel in 1866. [54] [55] Zo kwamen de eukaryoten te worden samengesteld uit vier koninkrijken:

De protisten werden beschouwd als "primitieve vormen", en dus een evolutionaire graad, verenigd door hun primitieve eencellige aard. [55] Het ontwarren van de diepe spleten in de levensboom begon pas echt met DNA-sequencing, wat leidde tot een systeem van domeinen in plaats van koninkrijken als hoogste rang die naar voren werd gebracht door Carl Woese, waarbij alle eukaryote koninkrijken onder het eukaryote domein werden verenigd . [21] Tegelijkertijd werd het werk aan de protistenboom geïntensiveerd en wordt er nog steeds actief gewerkt. Er zijn verschillende alternatieve classificaties doorgestuurd, hoewel er geen consensus in het veld is.

Eukaryoten zijn een clade die gewoonlijk wordt beschouwd als de zus van Heimdallarchaeota in de Asgard-groep in de Archaea. [56] [57] [58] In een voorgesteld systeem zijn de basale groeperingen de Opimoda, Diphoda, de Discoba en de Loukozoa. De eukaryote wortel wordt meestal geschat in de buurt van of zelfs in Discoba.

Een classificatie die in 2005 werd opgesteld voor de International Society of Protistologists [59] en die de consensus van die tijd weerspiegelde, verdeelde de eukaryoten in zes zogenaamd monofyletische 'supergroepen'. In hetzelfde jaar (2005) werden echter twijfels geuit over de vraag of sommige van deze supergroepen monofyletisch waren, met name de Chromalveolata, [60] en een recensie in 2006 wees op het gebrek aan bewijs voor verschillende van de veronderstelde zes supergroepen. [61] Een herziene classificatie in 2012 [2] erkent vijf supergroepen.

Archaeplastida (of Primoplantae) Landplanten, groene algen, rode algen en glaucophyten
SAR-supergroep Stramenopiles (bruine algen, diatomeeën, enz.), Alveolata en Rhizaria (Foraminifera, Radiolaria, en diverse andere amoeboid protozoa)
opgravingen Verschillende flagellate protozoa
Amoebozoa De meeste lobose amoeboïden en slijmzwammen
Opisthokonta Dieren, schimmels, choanoflagellaten, enz.

Er zijn ook kleinere groepen eukaryoten waarvan de positie onzeker is of buiten de grote groepen lijkt te vallen [62] – in het bijzonder Haptophyta, Cryptophyta, Centrohelida, Telonemia, Picozoa, [63] Apusomonadida, Ancyromonadida, Breviatea en het geslacht Collodityon. [64] Over het algemeen lijkt het erop dat, hoewel er vooruitgang is geboekt, er nog steeds zeer belangrijke onzekerheden zijn in de evolutionaire geschiedenis en classificatie van eukaryoten. Zoals Roger & Simpson in 2009 zeiden: "Met het huidige tempo van verandering in ons begrip van de eukaryote levensboom, moeten we voorzichtig te werk gaan." [65] Nieuw geïdentificeerde protisten, waarvan wordt beweerd dat ze nieuwe, diep vertakkende geslachten vertegenwoordigen, worden nog steeds beschreven tot ver in de recente voorbeelden van de 21e eeuw, waaronder Rhodelphis, vermeende zustergroep van Rhodophyta, en Anaeramoeba, anaërobe amoebaflagellaten van onzekere plaatsing. [66]

Fylogenie

De rRNA-bomen die in de jaren tachtig en negentig werden gebouwd, lieten de meeste eukaryoten achter in een onopgeloste "kroon" -groep (technisch gezien geen echte kroon), die gewoonlijk werd gedeeld door de vorm van de mitochondriale cristae zie kroon-eukaryoten. De weinige groepen die geen mitochondriën hebben, vertakten zich afzonderlijk, en dus werd aangenomen dat de afwezigheid primitief was, maar dit wordt nu beschouwd als een artefact van aantrekkingskracht op lange vertakkingen, en het is bekend dat ze ze secundair hebben verloren. [67] [68]

Er wordt geschat dat er 75 verschillende lijnen van eukaryoten kunnen zijn. [69] De meeste van deze geslachten zijn protisten.

De bekende eukaryote genoomgroottes variëren van 8,2 megabasen (Mb) in Babesia bovis tot 112.000-220.050 Mb in de dinoflagellaat Prorocentrum micans, waaruit blijkt dat het genoom van de voorouderlijke eukaryoot tijdens zijn evolutie aanzienlijke variaties heeft ondergaan. [69] De laatste gemeenschappelijke voorouder van alle eukaryoten wordt verondersteld een fagotrofe protist te zijn geweest met een kern, ten minste één centriole en cilium, facultatief aerobe mitochondriën, geslacht (meiose en syngamie), een slapende cyste met een celwand van chitine en /of cellulose en peroxisomen. [69] Latere endosymbiose leidde in sommige geslachten tot de verspreiding van plastiden.

Hoewel er nog steeds aanzienlijke onzekerheid bestaat in de wereldwijde eukaryote fylogenie, met name wat betreft de positie van de wortel, is er een ruwe consensus ontstaan ​​uit de fylogenomische studies van de afgelopen twee decennia. [62] [70] [71] [72] [73] [74] [29] [75] [66] De meerderheid van de eukaryoten kan worden geplaatst in een van de twee grote clades genaamd Amorphea (vergelijkbaar in samenstelling met de unikont-hypothese ) en de Diaphoretickes, die planten en de meeste algenlijnen omvat. Een derde grote groepering, de Excavata, is verlaten als een formele groep in de meest recente classificatie van de International Society of Protistologists vanwege groeiende onzekerheid over de vraag of de samenstellende groepen bij elkaar horen. [76] De voorgestelde fylogenie hieronder omvat slechts één groep opgravingen (Discoba, en bevat het recente voorstel dat picozoa nauw verwant zijn aan rodofyten. [77]

In sommige analyses wordt de Hacrobia-groep (Haptophyta + Cryptophyta) naast Archaeplastida geplaatst, [78] maar in andere is hij genest in de Archaeplastida. [79] Verschillende recente studies hebben echter geconcludeerd dat Haptophyta en Cryptophyta geen monofyletische groep vormen. [80] De eerste zou een zustergroep kunnen zijn van de SAR-groep, de laatste cluster met de Archaeplastida (planten in brede zin). [81]

De verdeling van de eukaryoten in twee primaire clades, bikonts (Archaeplastida + SAR + Excavata) en unikonts (Amoebozoa + Opisthokonta), respectievelijk afgeleid van een voorouderlijk biflagellair organisme en een voorouderlijk eenflagellair organisme, was eerder gesuggereerd. [79] [82] [83] Een studie uit 2012 produceerde een enigszins vergelijkbare verdeling, hoewel werd opgemerkt dat de termen "unikonts" en "bikonts" niet in de oorspronkelijke betekenis werden gebruikt. [63]

Een sterk geconvergeerde en congruente reeks bomen verschijnt in Derelle et al. (2015), Ren et al. (2016), Yang et al. (2017) en Cavalier-Smith (2015) inclusief de aanvullende informatie, wat resulteert in een meer conservatieve en geconsolideerde boom. Het wordt gecombineerd met enkele resultaten van Cavalier-Smith voor de basale Opimoda. [84] [85] [86] [87] [88] [73] [89] De belangrijkste resterende controverses zijn de wortel en de exacte positionering van de Rhodophyta en de bikonts Rhizaria, Haptista, Cryptista, Picozoa en Telonemia, veel waarvan mogelijk endosymbiotische eukaryote-eukaryote hybriden zijn. [90] Archaeplastida verwierf chloroplasten waarschijnlijk door endosymbiose van een prokaryotische voorouder gerelateerd aan een momenteel bestaande cyanobacterie, Gloeomargarita lithofhora. [91] [92] [90]

De boom van Cavalier-Smith

Thomas Cavalier-Smith 2010, [93] 2013, [94] 2014, [95] 2017 [85] en 2018 [96] plaatst de wortel van de eukaryote boom tussen Excavata (met ventrale voedingsgroef ondersteund door een microtubulaire wortel) en de groefloze Euglenozoa , en monofyletische Chromista, gecorreleerd aan een enkele endosymbiotische gebeurtenis van het vangen van een rode alg. Hij et al. [97] ondersteunt specifiek het rooten van de eukaryote boom tussen een monofyletische Discoba (Discicristata + Jakobida) en een Amorphea-Diaphoretickes-clade.

De oorsprong van de eukaryote cel is een mijlpaal in de evolutie van het leven, aangezien eukaryoten alle complexe cellen en bijna alle meercellige organismen omvatten. Er zijn een aantal benaderingen gebruikt om de eerste eukaryoot en hun naaste verwanten te vinden. De laatste eukaryote gemeenschappelijke voorouder (LECA) is de hypothetische laatste gemeenschappelijke voorouder van alle eukaryoten die ooit hebben geleefd, en was hoogstwaarschijnlijk een biologische populatie. [101]

Eukaryoten hebben een aantal kenmerken die hen onderscheiden van prokaryoten, waaronder een endomembraansysteem, en unieke biochemische routes zoals steraansynthese. [102] Een reeks eiwitten, eukaryote signature-eiwitten (ESP's) genaamd, werd in 2002 voorgesteld om eukaryote verwanten te identificeren: ze hebben tegen die tijd geen homologie met eiwitten die bekend zijn in andere domeinen van het leven, maar ze lijken universeel te zijn onder eukaryoten. Ze omvatten eiwitten die deel uitmaken van het cytoskelet, de complexe transcriptiemachines, membraansorteersystemen, de kernporie, evenals enkele enzymen in de biochemische routes. [103]

Fossielen

De timing van deze reeks gebeurtenissen is moeilijk te bepalen. Knoll (2006) suggereert dat ze zich ongeveer 1,6-2,1 miljard jaar geleden ontwikkelden. Sommige acritarchen zijn bekend van minstens 1,65 miljard jaar geleden, en de mogelijke algen Grypania is al 2,1 miljard jaar geleden gevonden. [104] De Geosifon-achtige fossiele schimmel Diskagma is gevonden in paleosolen van 2,2 miljard jaar oud. [105]

Georganiseerde levende structuren zijn gevonden in de zwarte leisteen van de Palaeoproterozoïsche Francevillian B-formatie in Gabon, gedateerd op 2,1 miljard jaar oud. Eukaryotisch leven zou in die tijd kunnen zijn ontstaan. [106] Fossielen die duidelijk gerelateerd zijn aan moderne groepen verschijnen naar schatting 1,2 miljard jaar geleden, in de vorm van een rode alg, hoewel recent werk het bestaan ​​suggereert van gefossiliseerde draadalgen in het Vindhya-bekken dat misschien teruggaat tot 1,6 tot 1,7 miljard jaren geleden. [107]

Biomarkers suggereren dat ten minste stam-eukaryoten zelfs eerder zijn ontstaan.De aanwezigheid van steranen in Australische schalies geeft aan dat eukaryoten aanwezig waren in deze rotsen die 2,7 miljard jaar oud waren, [102] [108] hoewel werd gesuggereerd dat ze afkomstig zouden kunnen zijn van verontreiniging van monsters. [109]

Waar ze ook vandaan komen, eukaryoten zijn misschien pas veel later ecologisch dominant geworden. Een enorme toename van de zinksamenstelling van mariene sedimenten 800 miljoen jaar geleden is toegeschreven aan de opkomst van aanzienlijke populaties eukaryoten, die bij voorkeur zink consumeren en opnemen in vergelijking met prokaryoten. [110]

In april 2019 rapporteerden biologen dat het zeer grote medusavirus, of een familielid, mogelijk gedeeltelijk verantwoordelijk is geweest voor de evolutionaire opkomst van complexe eukaryote cellen uit eenvoudiger prokaryotische cellen. [111]

Relatie met Archaea

Het nucleaire DNA en de genetische machinerie van eukaryoten lijkt meer op Archaea dan op Bacteria, wat leidt tot een controversiële suggestie dat eukaryoten moeten worden gegroepeerd met Archaea in de clade Neomura. In andere opzichten, zoals de membraansamenstelling, lijken eukaryoten op bacteriën. Hiervoor zijn drie belangrijke verklaringen voorgesteld:

  • Eukaryoten waren het resultaat van de volledige fusie van twee of meer cellen, waarbij het cytoplasma gevormd werd uit een bacterie, en de kern uit een archaeon, [112] uit een virus, [113][114] of uit een pre-cel. [115][116]
  • Eukaryoten ontwikkelden zich uit Archaea en verwierven hun bacteriële eigenschappen door de endosymbiose van een proto-mitochondrion van bacteriële oorsprong. [117]
  • Eukaryoten en Archaea ontwikkelden zich afzonderlijk van een gemodificeerde bacterie.

Alternatieve voorstellen zijn onder meer:

  • De chronocythypothese stelt dat een primitieve eukaryote cel werd gevormd door de endosymbiose van zowel archaea als bacteriën door een derde type cel, een zogenaamde chronocyt. Dit is voornamelijk de verklaring voor het feit dat eukaryote signature-eiwitten in 2002 nergens anders werden gevonden. [103]
  • De universele gemeenschappelijke voorouder (UCA) van de huidige levensboom was een complex organisme dat een massale uitsterving overleefde in plaats van een vroeg stadium in de evolutie van het leven. Eukaryoten en in het bijzonder akaryoten (Bacteriën en Archaea) evolueerden door reductief verlies, zodat overeenkomsten het gevolg zijn van differentieel behoud van originele kenmerken. [119]

Ervan uitgaande dat er geen andere groep bij betrokken is, zijn er drie mogelijke fylogenieën voor de Bacteria, Archaea en Eukaryota, waarbij elk monofyletisch is. Deze zijn gelabeld 1 tot 3 in de onderstaande tabel. De eocythypothese is een wijziging van hypothese 2 waarin de Archaea parafyletisch zijn. (De tabel en de namen voor de hypothesen zijn gebaseerd op Harish en Kurland, 2017. [120])

In de afgelopen jaren hebben de meeste onderzoekers de voorkeur gegeven aan de drie domeinen (3D) of de eocythypothese. Een rRNA-analyse ondersteunt het eocytscenario, blijkbaar met de eukaryote wortel in Excavata. [100] [93] [94] [95] [85] Een cladogram ter ondersteuning van de eocythypothese, positionering van eukaryoten binnen Archaea, gebaseerd op fylogenomische analyses van de Asgard-archaea, is: [56] [57] [58] [10]

In dit scenario wordt de Asgard-groep gezien als een zustertaxon van de TACK-groep, die bestaat uit Crenarchaeota (voorheen eocytes genoemd), Thaumarchaeota en anderen. Deze groep bevat naar verluidt veel van de eukaryote kenmerkende eiwitten en produceert blaasjes. [121]

In 2017 was er aanzienlijke weerstand tegen dit scenario, met het argument dat de eukaryoten niet in de Archaea zijn ontstaan. Cunha et al. produceerde analyses die de drie domeinen (3D) of Woese-hypothese (2 in de bovenstaande tabel) ondersteunen en de eocythypothese (4 hierboven) verwerpen. [122] Harish en Kurland vonden sterke steun voor de eerdere twee imperiums (2D) of Mayr-hypothese (1 in de bovenstaande tabel), gebaseerd op analyses van de coderende sequenties van eiwitdomeinen. Ze verwierpen de eocythypothese als de minst waarschijnlijke. [123] [120] Een mogelijke interpretatie van hun analyse is dat de universele gemeenschappelijke voorouder (UCA) van de huidige levensboom een ​​complex organisme was dat een evolutionair knelpunt overleefde, in plaats van een eenvoudiger organisme dat vroeg in de geschiedenis van het leven ontstond. [119] Aan de andere kant bevestigden de onderzoekers die met Asgard op de proppen kwamen hun hypothese opnieuw met aanvullende Asgard-monsters. [124]

Details van de relatie tussen Asgard archaea-leden en eukaryoten worden nog onderzocht [125], hoewel wetenschappers in januari 2020 meldden dat Candidatus Prometheoarchaeum syntrophicum, een soort gekweekte Asgard archaea, zou ongeveer twee miljard jaar geleden een mogelijk verband kunnen zijn tussen eenvoudige prokaryotische en complexe eukaryote micro-organismen. [126] [121]

Endomembraansysteem en mitochondriën

De oorsprong van het endomembraansysteem en de mitochondriën zijn ook onduidelijk. [127] De fagotrofe hypothese stelt voor dat membranen van het eukaryote type zonder celwand eerst ontstonden, met de ontwikkeling van endocytose, terwijl mitochondriën werden verkregen door inname als endosymbionten. [128] De syntrofische hypothese stelt voor dat de proto-eukaryoot afhankelijk was van het proto-mitochondrion voor voedsel, en zo uiteindelijk groeide om het te omringen. Hier zijn de membranen ontstaan ​​na de verzwelging van het mitochondrion, mede dankzij mitochondriale genen (de waterstofhypothese is een bepaalde versie). [129]

In een onderzoek waarbij gebruik werd gemaakt van genomen om superbomen te construeren, ontdekte Pisani et al. (2007) suggereren dat, samen met bewijs dat er nooit een mitochondrionloze eukaryoot is geweest, eukaryoten zijn geëvolueerd uit een syntrofie tussen een archaea die nauw verwant is aan Thermoplasmatales en een alfaproteobacterie, waarschijnlijk een symbiose aangedreven door zwavel of waterstof. Het mitochondrion en zijn genoom is een overblijfsel van de alfaproteobacteriële endosymbiont. [130] De meeste genen van de symbiont zijn overgebracht naar de kern. Ze vormen de meeste metabole en energiegerelateerde routes van de eukaryote cel, terwijl het informatiesysteem (DNA-polymerase, transcriptie, translatie) van archaea wordt behouden. [131]

Hypothesen

Er zijn verschillende hypothesen voorgesteld over hoe eukaryote cellen zijn ontstaan. Deze hypothesen kunnen worden ingedeeld in twee verschillende klassen: autogene modellen en chimere modellen.

Autogene modellen

Autogene modellen stellen voor dat eerst een proto-eukaryote cel met een kern bestond en later mitochondriën verwierf. [132] Volgens dit model ontwikkelde een grote prokaryoot invaginaties in zijn plasmamembraan om voldoende oppervlakte te verkrijgen om zijn cytoplasmatische volume te onderhouden. Naarmate de invaginaties in functie verschilden, werden sommige afzonderlijke compartimenten - wat aanleiding gaf tot het endomembraansysteem, inclusief het endoplasmatisch reticulum, het golgi-apparaat, het kernmembraan en enkele membraanstructuren zoals lysosomen. [133]

Er wordt aangenomen dat mitochondriën afkomstig zijn van de endosymbiose van een aerobe proteobacterie, en er wordt aangenomen dat alle eukaryote lijnen die geen mitochondriën hebben verworven, uitstierven. [134] Chloroplasten kwamen voort uit een andere endosymbiotische gebeurtenis waarbij cyanobacteriën betrokken waren. Omdat alle bekende eukaryoten mitochondriën hebben, maar niet allemaal chloroplasten, stelt de seriële endosymbiotische theorie voor dat mitochondriën eerst kwamen.

Chimere modellen

Chimere modellen beweren dat er aanvankelijk twee prokaryote cellen bestonden: een archaeon en een bacterie. De naaste levende verwanten hiervan lijken Asgardarchaeota te zijn en (verre verwant) de alfaproteobacteriën die het proto-mitochondrion worden genoemd. [135] [136] Deze cellen ondergingen een samensmeltingsproces, hetzij door een fysieke fusie of door endosymbiose, wat leidde tot de vorming van een eukaryote cel. Binnen deze chimere modellen beweren sommige studies verder dat mitochondriën afkomstig zijn van een bacteriële voorouder, terwijl andere de rol van endosymbiotische processen achter de oorsprong van mitochondriën benadrukken.

De inside-out-hypothese

De inside-out-hypothese suggereert dat de fusie tussen vrijlevende mitochondria-achtige bacteriën en een archaeon in een eukaryote cel geleidelijk plaatsvond over een lange periode, in plaats van in een enkele fagocytotische gebeurtenis. In dit scenario zou een archaeon aerobe bacteriën vangen met celuitsteeksels en ze vervolgens in leven houden om er energie uit te halen in plaats van ze te verteren. In de beginfase zouden de bacteriën nog gedeeltelijk in direct contact staan ​​met de omgeving en zou de archeon ze niet van alle benodigde voedingsstoffen hoeven te voorzien. Maar uiteindelijk zou de archaeon de bacteriën volledig overspoelen, waardoor de interne membraanstructuren en het kernmembraan in het proces ontstaan. [137]

Er wordt aangenomen dat de archaïsche groep, halofielen genaamd, een vergelijkbare procedure heeft doorlopen, waarbij ze maar liefst duizend genen van een bacterie verwierven, veel meer dan door de conventionele horizontale genoverdracht die vaak voorkomt in de microbiële wereld, maar dat de twee microben gescheiden waren. voordat ze waren samengesmolten tot een enkele eukaryote-achtige cel. [138]

Een uitgebreide versie van de inside-out-hypothese stelt dat de eukaryote cel is ontstaan ​​door fysieke interacties tussen twee prokaryotische organismen en dat de laatste gemeenschappelijke voorouder van eukaryoten zijn genoom heeft gekregen van een hele populatie of gemeenschap van microben die deelnemen aan samenwerkingsrelaties om te gedijen en te overleven in hun omgeving. Het genoom van de verschillende soorten microben zou elkaar aanvullen, en af ​​en toe horizontale genoverdracht tussen hen zou grotendeels in hun eigen voordeel zijn. Deze opeenstapeling van gunstige genen leidde tot het genoom van de eukaryote cel, die alle genen bevatte die nodig zijn voor onafhankelijkheid. [139]

De seriële endosymbiotische hypothese

Volgens seriële endosymbiotische theorie (verdedigd door Lynn Margulis), een unie tussen een beweeglijke anaërobe bacterie (zoals Spirochaeta) en een thermoacidofiele crenarchaeon (zoals Thermoplasma die sulfidogeen van aard is) hebben geleid tot de huidige eukaryoten. Deze unie bracht een beweeglijk organisme tot stand dat in staat was om in de reeds bestaande zure en zwavelhoudende wateren te leven. Van zuurstof is bekend dat het toxiciteit veroorzaakt voor organismen die niet over de vereiste stofwisselingsmachines beschikken. Zo voorzag de archaeon de bacterie van een zeer gunstig gereduceerd milieu (zwavel en sulfaat werden gereduceerd tot sulfide). In micro-aerofiele omstandigheden werd zuurstof gereduceerd tot water, waardoor een platform voor wederzijds voordeel werd gecreëerd. De bacterie daarentegen droeg de noodzakelijke fermentatieproducten en elektronenacceptoren samen met zijn beweeglijkheidskenmerk bij aan de archaeon, waardoor het een zwemmotiliteit voor het organisme kreeg.

Uit een consortium van bacterieel en archaeaal DNA is het nucleaire genoom van eukaryote cellen ontstaan. Spirocheten gaven aanleiding tot de beweeglijke kenmerken van eukaryote cellen. Endosymbiotische unificaties van de voorouders van alfaproteobacteriën en cyanobacteriën leidden tot de oorsprong van respectievelijk mitochondriën en plastiden. Bijvoorbeeld, Thiodendron waarvan bekend is dat het is ontstaan ​​via een ectosymbiotisch proces op basis van een vergelijkbare syntrofie van zwavel die bestaat tussen de twee soorten bacteriën - desulfobacter en Spirochaeta.

Een dergelijke associatie op basis van beweeglijke symbiose is echter in de praktijk nooit waargenomen. Er is ook geen bewijs dat archaeërs en spirocheten zich aanpassen aan intense, op zuur gebaseerde omgevingen. [132]

De waterstofhypothese

In de waterstofhypothese leidde de symbiotische koppeling van een anaërobe en autotrofe methanogene archaeon (gastheer) met een alfaproteobacterie (de symbiont) tot de eukaryoten. De gastheer gebruikte waterstof (H2) en kooldioxide ( CO
2) om methaan te produceren, terwijl de symbiont, die in staat is tot aerobe ademhaling, H . verdrijft2 en co
2 als bijproducten van het anaërobe fermentatieproces. De methanogene omgeving van de gastheer werkte als een gootsteen voor H2, wat resulteerde in verhoogde bacteriële fermentatie.

Endosymbiotische genoverdracht werkte als een katalysator voor de gastheer om het koolhydraatmetabolisme van de symbionten te verwerven en heterotroof van aard te worden. Vervolgens ging het methaanvormende vermogen van de gastheer verloren. De oorsprong van het heterotrofe organel (symbiont) is dus identiek aan de oorsprong van de eukaryote afstamming. In deze hypothese is de aanwezigheid van H2 vertegenwoordigt de selectieve kracht die eukaryoten uit prokaryoten smeedde. [129]

De syntrofie-hypothese

De syntrofie-hypothese werd ontwikkeld in tegenstelling tot de waterstofhypothese en stelt het bestaan ​​van twee symbiotische gebeurtenissen voor. Volgens dit model was de oorsprong van eukaryote cellen gebaseerd op metabole symbiose (syntrofie) tussen een methanogene archaeon en een deltaproteobacterium. Deze syntrofische symbiose werd aanvankelijk gefaciliteerd door H2 overdracht tussen verschillende soorten onder anaërobe omgevingen. In eerdere stadia werd een alfaproteobacterie lid van deze integratie en ontwikkelde zich later tot het mitochondrion. Genoverdracht van een deltaproteobacterium naar een archaeon leidde ertoe dat de methanogene archaeon zich ontwikkelde tot een kern. De archaeon vormde het genetische apparaat, terwijl de deltaproteobacterium bijdroeg aan de cytoplasmatische kenmerken.

Deze theorie omvat twee selectieve krachten ten tijde van de evolutie van de kern:

  • aanwezigheid van metabole verdeling om de schadelijke effecten van het naast elkaar bestaan ​​van anabole en katabole cellulaire routes te voorkomen, en
  • preventie van abnormale eiwitbiosynthese als gevolg van een enorme verspreiding van introns in de archaeale genen na verwerving van het mitochondrion en verlies van methanogenese. [citaat nodig]

6+ scenario voor seriële endosymbiose

Een complex scenario van 6+ seriële endosymbiotische gebeurtenissen van archaea en bacteriën is voorgesteld waarin mitochondriën en een asgard-gerelateerde archaeota werden verworven in een laat stadium van eukaryogenese, mogelijk in combinatie, als secundaire endosymbiont. [140] [141] De bevindingen zijn berispt als een artefact. [142]


Ecologie en de evolutie van bifasische levenscycli

Seksuele eukaryoten ondergaan een afwisseling tussen haploïde en diploïde nucleaire fasen. In sommige organismen ondergaan zowel de haploïde als de diploïde fasen een somatische ontwikkeling en bestaan ​​ze als onafhankelijke entiteiten. Ondanks recente aandacht, blijven de mechanismen waardoor dergelijke bifasische levenscycli evolueren en voortduren onduidelijk. Een verklaring die weinig theoretische aandacht heeft gekregen, is dat haploïde-diploïde organismen hun omgeving efficiënter kunnen exploiteren door nichedifferentiatie van de twee ploïdiefasen. Zelfs bij isomorfe soorten, waarin volwassenen morfologisch gelijkaardig zijn, kunnen kleine verschillen in de volwassen fase of tussen juvenielen een belangrijke ecologische rol spelen en helpen om haploïde-diploïdie in stand te houden. We ontwikkelen een genetisch model voor de evolutie van levenscycli dat dichtheidsafhankelijke groei omvat. We vinden dat ecologische verschillen tussen haploïde en diploïde fasen kunnen leiden tot de evolutie en instandhouding van bifasische levenscycli onder een breed scala van omstandigheden. Parameterschattingen afgeleid van demografische gegevens over een populatie van Gracilaria gracilis, een haploïde-diploïde rode alg met een isomorfe afwisseling van generaties, worden gebruikt om aan te tonen dat een ecologische verklaring voor haploïde-diploïdie plausibel is, zelfs als er slechts kleine morfologische verschillen tussen volwassenen zijn.


3.4.4 Genetische diversiteit en aanpassing

Mogelijkheden voor het ontwikkelen van vaardigheden

Genetische diversiteit als het aantal verschillende allelen van genen in een populatie.

Genetische diversiteit is een factor die natuurlijke selectie mogelijk maakt.

De principes van natuurlijke selectie in de evolutie van populaties.

  • Willekeurige mutatie kan resulteren in nieuwe allelen van een gen.
  • Veel mutaties zijn schadelijk, maar in bepaalde omgevingen kan het nieuwe allel van een gen de bezitter ervan ten goede komen, wat leidt tot meer reproductief succes.
  • Het voordelige allel wordt geërfd door leden van de volgende generatie.
  • Als gevolg hiervan neemt het nieuwe allel gedurende vele generaties in frequentie toe in de populatie.

Directionele selectie, geïllustreerd door antibioticaresistentie in bacteriën, en stabiliserende selectie, geïllustreerd door menselijke geboortegewichten.

Natuurlijke selectie resulteert in soorten die beter zijn aangepast aan hun omgeving. Deze aanpassingen kunnen anatomisch, fysiologisch of gedragsmatig zijn.

Studenten moeten in staat zijn om:

  • onbekende informatie gebruiken om uit te leggen hoe selectie veranderingen teweegbrengt binnen een populatie van een soort
  • interpreteren van gegevens met betrekking tot het effect van selectie op het produceren van verandering binnen populaties
  • laten zien dat aanpassing en selectie belangrijke factoren zijn in de evolutie en bijdragen aan de diversiteit van levende organismen.

Studenten zouden een logaritmische schaal kunnen gebruiken bij het omgaan met gegevens met betrekking tot grote aantallen bacteriën in een kweek.


Heeft celbiologie natuurkundigen nodig?

Cellen zijn de fundamentele eenheden van het leven. Op een basisniveau zijn de primaire functies van een cel om te groeien, te repliceren en te delen. Overleven, in ieder geval voor een voldoende lange tijd, is ook van groot belang om deze andere functies te bereiken. Maar als mensen willen we meer. We willen niet alleen dat onze cellen ons een voldoende lange levensduur geven zodat we ons kunnen voortplanten, we willen onszelf ook een lang en gezond bestaan ​​garanderen. Deze verlangens worden echter maar al te vaak gedwarsboomd door ziekte. Hoewel ziekten kunnen worden veroorzaakt door een aantal verschillende factoren, zoals moleculaire toxines, verworven of geërfde genetische defecten, virussen en bacteriën, die allemaal op verschillende schalen werken (moleculair, cellulair en zelfs meercellig), staat ziekte in de meeste gevallen voor een proces op cellulair niveau, dat wil zeggen dat de meeste ziekten in hun hart een verstoring van de cellulaire functie zijn, wat uiteindelijk leidt tot invaliditeit of falen van organen of organismen.

Aangezien mensen liever een ziektevrij bestaan ​​leiden, is het niet verwonderlijk dat biologisch en gezondheidsgerelateerd onderzoek zeer gerespecteerd wordt of dat de National Institutes of Health diepere zakken hebben dan de National Science Foundation. Bovendien hebben we dankzij recente technologische ontwikkelingen veel gedetailleerder naar moleculen en cellen kunnen kijken. We zijn nu in staat om op subcellulair en zelfs moleculair niveau de spatiotemporele dynamiek van moleculen en processen in cellen op te lossen en te kwantificeren. Daarom zijn moleculaire en cellulaire biologie vatbaarder geworden voor een onderzoeksparadigma dat experimenteel en theoretisch onderzoek versmelt, en meer specifiek onderzoek dat is gericht op een nauwkeurige beschrijving van hoe dingen in ruimte en tijd bewegen. Het is dan ook niet verwonderlijk dat natuurkundigen zich aangetrokken voelen tot celbiologisch onderzoek.

Maar het verleden heeft aangetoond dat celbiologen buitengewoon in staat zijn om grote vooruitgang te boeken zonder dat er veel fysici nodig zijn (behalve dat ze fysici en ingenieurs nodig hebben om veel van de technologieën die ze gebruiken te ontwikkelen).Vereisen de nieuwe data en nieuwe technologische mogelijkheden het gezichtspunt van een natuurkundige om de mechanismen van de cel te analyseren? Is natuurkunde nuttig voor celbiologie?

De olifanten in de kamer: genetica, proteomics en systeembiologie

De rol die genetica de afgelopen 30 jaar in de biologie heeft gespeeld, kan moeilijk worden overschat. Moleculaire en celbiologie gaan voor een groot deel over eiwitten en hun interacties. Het vermogen om een ​​specifiek eiwit in een cel te verstoren en vervolgens de gevolgen te observeren, heeft geleid tot een verbazingwekkend aantal vorderingen in ons begrip van de rol van bepaalde eiwitten in de cellulaire functie. Het lijkt er bijna op dat als we een lijst zouden kunnen samenstellen van alle eiwitten in de cel (een veld dat proteomics wordt genoemd) en hun reacties en reactiesnelheden zouden kunnen bepalen, we zouden begrijpen hoe een cel werkt. Met high-throughput-methoden zijn we nu in staat om snel DNA-transcripten en eiwitniveaus te meten en deze te correleren met waargenomen celkenmerken (&ldquophenotypes&rdquo) [1]. We hebben veel gegevens verzameld, en hoe meer we bij elkaar brengen, hoe complexer en moeilijker te interpreteren de gegevens worden.

Voor een cel met een vrij klein genoom, zoals de gist Saccharomyces cerevisiae, die tussen 104 en 105 eiwitten kan produceren, is het aantal mogelijke eiwitinteracties 105 & ndash 107 [1]. Zelfs als we een enkele cellulaire functie beschouwen (bijvoorbeeld het vermogen van een eukaryote cel om langs een substraat te bewegen), lijkt het chemische reactienetwerk dat dit gedrag beschrijft onbegrijpelijk (figuur 1). De hoop van systeembiologie is om een ​​benadering op een hoger niveau te gebruiken om deze systemen te begrijpen, om de reactienetwerken op een meer functioneel niveau te analyseren en een raamwerk te bieden voor het samenstellen van modellen van biologische routes uit systematische metingen [2]. In deze discussie ontbreekt elke vermelding van de fysica die betrokken is bij cellulaire processen. Het is mogelijk dat de fysica waarmee cellen te maken hebben, slaaf is van de reacties, d.w.z. de eiwitniveaus en kinetiek van de biochemische reacties bepalen het gedrag van het systeem, en alle fysieke processen die een cel moet volbrengen zijn puur gevolgen van de biochemie. Of kan het zijn dat celbiologie niet volledig kan worden begrepen zonder natuurkunde?

Enkele voorbeelden van succesvolle fysieke biologie

De successen van genetica en biochemie bij het beschrijven van de cellulaire functie hebben een belangrijk punt overschaduwd: cellen zijn geen geïsoleerde zakken met eiwitten. De binnenkant van een cel heeft structuur, en deze structuur is niet statisch. Bovendien moeten cellen leven in en interactie hebben met de omgeving, wat vaak onvoorspelbaar en niet altijd gunstig is. Om te groeien, te bewegen en te overleven, moeten cellen kracht kunnen produceren. Dat wil zeggen, natuurkunde is van belang, althans op een bepaald niveau.

Moleculaire motoren

In cellen bevinden zich eiwitten die chemische energie omzetten in nuttig werk. Kinesins en dyneins vervoeren bijvoorbeeld lading door de cel. Myosinemoleculen kunnen binden aan actinefilamenten en krachten uitoefenen, dat is hoe onze spieren werken. Andere moleculen roteren, zoals het eiwit dat de moleculen maakt die de belangrijkste brandstof van onze cellen zijn. De algemene methode waarmee deze moleculaire motoren werken, is via een Browniaans ratelmechanisme [3]. Hoewel de klassieke Brownse ratel niet echt werkt, gebruiken moleculaire motoren moleculaire bindingsenergieën om te voldoen aan de tweede wet van de thermodynamica. Doorgaans leidt binding van een ion of molecuul (zoals ATP) aan de motor tot een conformationele verandering in het eiwit. Deze conformatieverandering kan werken als een krachtslag in de motor. Hydrolyse van ATP of afgifte van het gebonden ion brengt de motor vervolgens terug in zijn oorspronkelijke staat, waardoor een cyclus wordt voltooid (of, in het geval van rotatiemotoren, een bindings- en afgiftegebeurtenis produceert doorgaans slechts een substap van een volledige rotatie).

Omdat deze moleculen werken als motoren, is de beste manier om ze te karakteriseren door hun kracht-snelheidsrelatie. Optische vangmethoden en andere biofysische experimenten hebben kwantitatieve informatie opgeleverd met betrekking tot de krachtsnelheidsrelatie voor veel van deze motoren, zoals kinesine [4], myosine [5] [Fig. 2 (a)], de bacteriële flagellaire motor [6] en de bacteriofaag-portaalmotor, die DNA in het virus verpakt [7]. Deze experimenten, samen met andere biofysische metingen van moleculaire motoren, evenals structurele informatie over de eiwitten, stellen ons in staat om mogelijke manieren te bedenken waarop deze motoren kunnen functioneren. Vervolgens kunnen we met behulp van modellering deze hypothesen testen om te bepalen of het voorgestelde mechanisme zou kunnen werken, wat heeft geleid tot een duidelijk beeld van de functie van myosine [8], kinesine [9], ATP-synthase [10] en de flagellaire motor [11]. Dynein blijft echter verbijsterend [12]. Interessant is dat het combineren van de resultaten van dit soort modellen en experimenten met een meer macroscopisch beeld heeft geleid tot een model dat het gedrag van spieren vastlegt [13].

Cellulaire beweging

Een andere voor de hand liggende en geaccepteerde rol van de natuurkunde in de celbiologie was het begrijpen van de beweging van cellen of het bepalen van de mechanismen waarmee cellen bewegen (beide zijn samengevat onder de noemer celmotiliteit). Het aantal verschillende manieren waarop cellen hebben bedacht hoe ze moeten bewegen, is verbazingwekkend. Ze kunnen kruipen, glijden, zwemmen en trillen. En voor elk van deze soorten beweeglijkheid zijn er veel verschillende mechanismen die hetzelfde doel bereiken.

Veel dierlijke cellen, waaronder uitgezaaide kankercellen, witte bloedcellen en de huidcellen die helpen bij het genezen van wonden, kruipen. Het is aangetoond dat het algemene proces polymerisatie van filamenteus actine aan de voorkant van de cel, hechting aan de omgeving en een samentrekkend mechanisme vereist dat de kracht produceert die nodig is om de rest van de cel naar voren te trekken. Natuurkundigen hebben een informatieve beschrijving van alle drie deze processen gegenereerd en produceren nog steeds. De actinepolymerisatie die de kracht produceert die de voorkant van de cel naar buiten duwt, is bijvoorbeeld een ander Browniaans ratelmechanisme [14]. Adhesie aan het substraat wordt gemedieerd door eiwitten die het celmembraan overspannen en (indirect) aan actine kunnen binden. Hoewel deze interacties vaak zijn behandeld als starre verbindingen tussen het cytoskelet en de omgeving, suggereren theoretische overwegingen van de biochemie en krachtafhankelijkheid van adhesie-eiwitten in feite dat de resulterende adhesiekracht zich meer gedraagt ​​als een viskeuze sleepkracht dan als een stijve bevestiging [15, 16]. Oorspronkelijk werd aangenomen dat de samentrekking die de achterkant van de cel aandrijft afkomstig is van actomyosine, zoals in spieren [17]. Myosine is echter hoogstwaarschijnlijk niet het enige mechanisme dat in het spel is. Andere mechanismen die zijn voorgesteld, zijn onder meer chemisch geïnduceerde contractie en ontbundeling of depolymerisatie van het cytoskelet [18]. Het is nu mogelijk om het gedrag van deze mechanismen theoretisch te testen met behulp van hele celsimulaties. Door de voorspellingen van dit soort modellen te vergelijken met experimenten, kan binnenkort wellicht worden vastgesteld hoe cellen zich naar voren trekken.

Hoe cellen zwemmen

In de meeste gevallen wordt zwemmen aangedreven door de actieve beweging van draadvormige objecten. Bacteriën en archaebacteriën roteren typisch lange, dunne, spiraalvormige filamenten met behulp van een moleculaire roterende motor die wordt aangedreven door ionenflux. De motor is bevestigd aan het ene uiteinde van de gloeidraad en verankerd in het binnenmembraan van de cel. Eukaryote zwemmers, aan de andere kant, gebruiken filamenten die golven of roteren, aangedreven door dyneïnemotoren en zijn verdeeld over de lengte van het filament. G. I. Taylor en Edward Purcell waren de eersten die de vloeistofmechanische principes in overweging namen die micro-organismen in staat stellen om door viskeuze vloeistoffen te bewegen. Gemotiveerd door hun werk was Howard Berg een van de pioniers van kwantitatief biofysisch onderzoek naar het zwemmen van bacteriën en toonde aan dat Escherichia coli zwemt door een reeks rennen en tuimelen, waardoor bacteriën een willekeurige wandeling kunnen maken om door de omgeving te bewegen, terwijl anderen de rol van het bacteriële flagellum bij de beweeglijkheid lieten zien [6]. Evenzo voerden Charles Brokaw en collega's kwantitatief onderzoek uit naar het zwemmen van zoogdiersperma [19]. Het gebied van het zwemmen met micro-organismen is een actief gebied gebleven voor fysisch biologen. In de afgelopen jaren is er gewerkt aan een aantal interessante onderwerpen, zoals de optimalisatie van verschillende zwemslagen met een laag Reynoldsgetal [20&ndash22] en de effecten van zwemmen in de buurt van oppervlakken [23&ndash25]. Chlamydomonas onlangs is aangetoond dat het een ren- en tuimelzwemmechanisme gebruikt dat mogelijk wordt aangedreven door de luidruchtige oscillaties van zijn flagella [26,27]. Twee gebieden die veel aandacht beginnen te krijgen zijn collectief zwemmen [28] en zwemmen in niet-Newtoniaanse omgevingen [29&ndash33]. De eerste beschrijft het schijnbaar georganiseerde of soms turbulente gedrag dat van nature ontstaat wanneer groepen cellen bij elkaar in de buurt zwemmen. Maar van al het recente werk over zwemmen, is het gedrag van zwemmers in niet-Newtoniaanse omgevingen misschien wel het meest relevant voor de menselijke gezondheid en ziekte. Zaadcellen moeten bijvoorbeeld door visco-elastische cervicale vloeistof navigeren [34,35], en binnendringende bacteriën moeten door de collageenfilamentnetwerken van onze huid manoeuvreren, door cellagen dringen [36] en door het slijm in onze maag bewegen [37] ].

Celgroei en -deling

Om te delen, moeten cellen de kopieën van hun DNA scheiden en de moedercel in twee dochters knijpen. Het proces van het scheiden van de chromosomen in eukaryoten wordt aangedreven door een spoel van microtubuli. Hoewel er een schat aan experimentele gegevens over dit proces bestaat, ontbreekt een goed begrip van de zelfassemblage en de mechanica van het proces. Stochastische simulaties hebben onlangs enkele van de mogelijke processen onthuld die betrokken zijn bij de vorming van de spil [38] [Fig. 2 (c)], en een mechanisch model heeft de krachtbalans getoond die betrokken is bij het bepalen van de spilvorm [39]. Hoe bacteriën de kopieën van het genoom verdelen, is echter minder duidelijk [40]. Om de cel tijdens de deling te vernauwen, gebruiken bacteriën en eukaryote cellen een dynamische ring van eiwitten. Bij eukaryoten wordt aangenomen dat de vernauwing van de ring wordt aangedreven door myosine, en bijgevolg is er niet veel modellering van de cytokinetische ring gedaan. In bacteriën lijkt het er echter op dat een motoreiwit zoals myosine mogelijk niet betrokken is, en natuurkundigen hebben andere mechanismen, zoals condensatie van de ringeiwitten [41] en subeenheidsconformatieveranderingen [42], beschouwd als drijvende krachten voor vernauwing. Tot voor kort was er weinig aandacht voor de fysieke mechanismen waarmee cellen groeien. Met de ontdekking dat de vorm van bacteriën streng wordt gecontroleerd, zijn natuurkundigen begonnen na te denken over wat de natuurkunde de groei en celvorm regelt [43&ndash45]. Dit veld staat nog in de kinderschoenen, maar zal in de nabije toekomst waarschijnlijk aanzienlijke vooruitgang laten zien.

Hoe cellen omgaan met de omgeving

De interactie van cellen met de omgeving is nog een gebied waar de natuurkunde ongetwijfeld een belangrijke rol zal spelen in de celbiologie. Veel kruipende cellen kunnen de stijfheid van de omgeving voelen en erop reageren, wat bekend staat als mechanosensing. Meer dan 25 jaar geleden werd opgemerkt dat fibroblasten die op glas waren uitgeplaat, meer verspreid en minder langwerpig waren dan fibroblasten die in driedimensionale collageenmatrices waren gekweekt, en cellen die op vierkante kleefeilanden werden gekweekt, actinefilamentbundels hebben die langs de diagonalen van de vierkante cel. Meer recentelijk is waargenomen dat celproliferatie kan worden beïnvloed door substraatstijfheid [46&ndash49]. De celmotiliteit wordt ook beïnvloed door de stijfheid van het substraat. Fibroblasten migreren bijvoorbeeld langzamer op stijve substraten dan op zachte [50], maar de gerichte motiliteit is persistenter op stijve substraten dan op zachte [51]. Nog verrassender, wanneer fibroblasten een grens tegenkomen tussen een hard substraat en een zacht substraat, gedragen ze zich anders, afhankelijk van aan welke kant van de grens ze begonnen [51]. Cellen aan de zachte kant van de grens zullen naar het harde gebied gaan, terwijl cellen aan de harde kant van de grens ofwel langs de grens zullen bewegen of er vanaf kruipen. Bovendien kunnen cellen de stijfheid van hun cytoskelet daadwerkelijk aanpassen om te proberen de omgeving aan te passen [52]. Aangenomen wordt dat deze vermogens een rol spelen in hoe cellen reageren wanneer ze zich in verschillende delen van het lichaam bevinden, aangezien weefselstijfheid in verschillende delen van het lichaam varieert [53]. Het is interessant om te speculeren dat de ontwikkeling van organismen meer wordt aangedreven door mechanische signalen dan door diffunderende chemicaliën (wat eerder is voorgesteld). Hoe cellen de omgeving kunnen waarnemen en erop reageren is nog onbekend [54], maar een recent theoretisch model dat eiwitkinetiek koppelt aan uitgeoefende kracht, kan een deel van het proces verklaren [16].

Potentiële valkuilen voor natuurkundigen in de biologie

Vijftien jaar geleden, rond de tijd dat ik in de biofysica begon te werken, waren er heel weinig samenwerkingen tussen natuurkundigen en celbiologen, vooral als de natuurkundigen theoretici waren. Theorie was, en is nog steeds in zekere mate, een woord dat vermeden moet worden in het bijzijn van biologen. Degenen onder ons die wiskunde en computers gebruiken om te proberen te begrijpen hoe cellen werken, noemen onszelf vaak modelbouwers in plaats van theoretici. Mijn vermoeden is dat veel van de eerste natuurkundigen en wiskundigen die probeerden modellen te ontwikkelen voor hoe biologie werkt, te abstract of te algemeen probeerden te zijn. Als natuurkundigen proberen we graag universele wetten te vinden, en hoewel er ongetwijfeld algemene principes in het spel zijn in de celbiologie, is het waarschijnlijk dat er geen echte universele regels zijn. Evolutie hoeft niet slechts één manier te vinden om iets te doen, maar vindt waarschijnlijk vaker meerdere. In plaats van op zoek te gaan naar algemeenheden, zullen we de biologie beter van dienst zijn als we ons met specifieke zaken bezighouden. Zoals Aharon Katchalsky, die grotendeels wordt toegeschreven aan het brengen van thermodynamica die niet in evenwicht is, zei: "Het is gemakkelijker om een ​​theorie van alles te maken dan een theorie van iets."

De afgelopen jaren hebben natuurkundigen veel beter werk verricht bij het aanpakken van specifieke problemen in de biologie. Er blijft echter een kloof tussen de twee gemeenschappen. Inderdaad, goede fysieke biologie die voortkomt uit de natuurkundegemeenschap blijft vaak onopgemerkt of wordt ondergewaardeerd. De last rust op ons om ons werk goed over te brengen en toegankelijk te maken voor biologen. We moeten bewust inzetten op communicatie en verspreiding van onze resultaten. Twee bruikbare benaderingen hiervoor zijn het publiceren in tijdschriften voor een breder publiek die beide gemeenschappen bereiken, en voor artikelen die theoretische analyses bevatten om een ​​kwalitatieve beschrijving van de modellering in de hoofdtekst te geven, terwijl de meer wiskundige details voor de bijlagen of aanvullend materiaal worden overgelaten. (voor verdere bespreking van dit onderwerp, zie Ref. [55]). Ook het onderhouden en smeden van nieuwe verbindingen tussen natuurkundigen en biologen is van primordiaal belang.

Er is nog een andere zorg die ik koester. Ik maak me zorgen over de verkeerd opgevatte gelijkstelling van succesvolle computersimulaties en begrip. In de afgelopen 30 jaar is de rekenkracht die men binnen handbereik heeft met ordes van grootte toegenomen. We zijn nu in staat om honderden gekoppelde ODE's te simuleren die grote biochemische netwerken beschrijven. We kunnen deze in twee en drie dimensies oplossen met willekeurige transportmechanismen. We kunnen ook reproduceren in silico de stochastische dynamiek van duizenden interagerende eiwitten. We komen steeds dichter bij het vermogen om, molecuul voor molecuul, een redelijke fractie van een cel te simuleren. Maar dan denk ik na over de bescheiden vooruitgang die deze onderzoeken hebben geboekt in ons begrip van hoe cellen werken. Het lijkt erop dat Turing ons verder vooruit heeft gebracht met zijn analytische analyse van reactie-diffusiesystemen dan we sindsdien zijn gegaan. Het lijkt er bijna op dat er weinig of geen correlatie is tussen computerkracht en echte wetenschappelijke vooruitgang.

Visioenen van de toekomst

Hoewel ik niet weet in welke richting de biofysica zal gaan, is mijn huidige indruk dat natuurkundigen het meeste succes zullen hebben door te proberen een eenvoudiger beeld te geven van de verbazingwekkende complexiteit die we in de celbiologie zien. Uiteindelijk hebben de enorme onderling verbonden biochemische netwerken zich ontwikkeld om een ​​telbaar aantal functies te bereiken, en bovendien is een deel van de complexiteit overbodig, een middel voor zelfbehoud in het licht van mutatie en een barre omgeving. Het kan daarom nuttig zijn om onze aandacht te richten op het niveau van de functies in plaats van op het niveau van de eiwitten. Reductionisme is niet altijd nuttig. Natuurkundigen hebben het heel goed gedaan om te bepalen welke details belangrijk zijn en welke niet.

Er zijn ten minste twee manieren waarop dit kan worden gedaan. De eerste is om gedrag op hoog niveau te onderzoeken en algemene principes te extrapoleren. Neem bijvoorbeeld het klassieke verhaal van Newton, waarbij de wet van de zwaartekracht intuïtief werd begrepen door het vallen van een appel. Of het verhaal nu waar is of niet, Newton was in staat om algemene wetten te bepalen voor het begrijpen van macroscopisch gedrag (zolang het macroscopische object niet te snel beweegt). De details van de kwantummechanica en de intermoleculaire krachten tussen atomen doen er niet echt toe om de vlucht van het honkbal op zijn route van de hand van de werper naar de wachtende vleermuis te beschrijven, de interactie tussen de bal en de lucht is veel belangrijker. En kijk nu eens naar deze luchtmassa die de reizende bal omringt [Fig. 3 (a)]. Nogmaals, de details van de moleculaire interacties, of zelfs de identiteit van de moleculaire bestanddelen van de lucht, doen er niet zo veel toe. Tussen statistische mechanica en vloeistofmechanica kunnen we een veel betere beschrijving krijgen van het bulkgedrag van de lucht dan wanneer we de lucht op een meer fundamenteel niveau zouden beschouwen. Inderdaad, op het niveau van een vloeistof, worden de moleculaire details gemiddeld tot een veel kleinere set bulkmateriaalparameters, zoals de viscositeit of de thermische uitzettingscoëfficiënt. Het zijn deze bulkparameters die het verloop van het vliegende honkbal bepalen.

Zo hebben Pilhwa Lee en ik onlangs gewerkt aan een model om de fysica te beschrijven die bij wondgenezing betrokken is. Wanneer een organisme gewond is, kruipen epitheelcellen om het gewonde gebied op te vullen. Een experimentele methode om dit proces te onderzoeken is om een ​​monolaag van epitheelcellen op een substraat te laten groeien en vervolgens de laag te "wonen" met een scalpel of een ander voorwerp om een ​​gebied van cellen weg te schrapen.Pascal Silberzan en collega's hebben aangetoond dat de beweging van de cellen tijdens wondgenezing niet triviaal is en gepaard gaat met orde op lange afstand en complexe cellulaire stromen [56]. Op basis van deze observaties en een analogie tussen kruipende cellen en het collectieve zwemmen van bacteriën, hebben we een model voorgesteld dat veel kenmerken vastlegt die worden waargenomen bij wondgenezingsassays. We suggereren dat twee dominante fysieke kenmerken verantwoordelijk zijn voor de meeste processen die betrokken zijn bij wondgenezing: (i) de dipoolaard van de stressverdeling van een kruipende cel en (ii) cel-celadhesie. Dit model absorbeert alle complexe biochemie en actinedynamiek in een cel in twee parameters die de stress beschrijven die een cel op zijn omgeving uitoefent, en het kan worden aangetoond dat cel-celadhesiedynamiek leidt tot visco-elastische koppelingen tussen cellen [Fig. 3 (b)]. Daarom, waar veel groepen zich uitgebreid hebben gericht op de complexe biochemische interacties in de cel, op functioneel niveau (d.w.z. genezing van een wond), kunnen veel van de moleculaire details alleen werken om een ​​paar fysieke parameters in bulk te reguleren.

Voor biologie, en vooral geneeskunde, zal het echter niet voldoende zijn om alleen niet-reductionistische theorieën over cellulaire functie te ontwikkelen, het zal ook nodig zijn om de effectieve parameters van de theorieën te berekenen in termen van de daadwerkelijke interacties op moleculair niveau. (Nog een taak waarvoor natuurkundigen zeer geschikt zijn.) Het huidige paradigma van ziektebehandeling is gebaseerd op moleculen. We ontwikkelen medicijnen die een wisselwerking hebben met of de eiwitten vervangen die ons lichaam maakt of maakt. We zoeken vergiften die specifiek gericht zijn op kankercellen. Alzheimerpatiënten worden behandeld met moleculen die de afbraak van acetylcholine voorkomen, een chemische stof die betrokken is bij leren en geheugen. En sommige ziekten, zoals cystische fibrose, kunnen zelfs worden behandeld door defecte genen in een persoon te vervangen door een functionele kopie van het gen. Daarnaast is biologisch onderzoek sterk verbonden met de genetische benadering. Een specifiek eiwit wordt uitgeschakeld, opwaarts gereguleerd of neerwaarts gereguleerd en het resulterende fenotype wordt bepaald. Om echt succesvol te zijn, moeten we biologie begrijpen die de kloof overspant, van biochemie en genetica tot cellulaire functie, en dat op zo'n manier dat onze modellen en experimenten niet alleen informatief zijn over de natuurkunde, maar een directe impact hebben op de biologie.

De celbiologie wacht op deze beschrijvingen. En het kan zijn dat natuurkundigen het beste in staat zijn om deze verbanden te leggen tussen de beschrijving op eiwitniveau van de celbiologie die momenteel domineert en een meer intuïtieve, maar nog steeds kwantitatieve beschrijving van het gedrag van cellen en hun reacties op hun omgeving.

Dankbetuigingen

De auteur wil S. X. Sun, G. Huber en I. Moraru bedanken voor nuttige discussies.


Resultaten

Fylogenetische analyses.

Om de vroege evolutie van cyanobacteriën af te leiden, hebben we Bayesiaanse fylogenetische bomen gereconstrueerd met behulp van 16S rRNA-sequentiegegevens. Een fylogenomische benadering zou misleidende resultaten opleveren, omdat de tot nu toe beschikbare cyanobacteriële genoomsequenties sterk gericht zijn op eencellige soorten. Bovendien zijn de weinige meercellige soorten waarvan de sequentie volledig is bepaald fylogenetisch nauw verwant, en een vergelijking van deze soorten zal waarschijnlijk geen informatie opleveren over de oude oorsprong van meercelligheid in cyanobacteriën (17). In een eerdere studie (5) werd een fylogenetische boom van 1.220 cyanobacteriële sequenties gereconstrueerd waaruit een subset van taxa werd bemonsterd die de onderzochte diversiteit van deze phylum vertegenwoordigt. Hier gebruikten we deze subset plus één stam (G40) die een potentieel unieke afzonderlijke soort vertegenwoordigt die door onze groep is geïsoleerd. Onze onbeperkte fylogenetische resultaten (Fig. S1) komen overeen met eerdere bevindingen (3, 5, 15, 24, 25), die monofylie van verschillende eerder beschreven morfologische groepen afwijzen (1, 2). Verder, Gloeobacter violaceus wordt opgelost als de zustergroep van alle andere cyanobacteriën. Er kunnen drie hoofdgroepen worden onderscheiden (clades E1, E2 en groep AC) (Fig. 1 en Figuren S1 en S2), die samen de meerderheid van de tegenwoordig levende cyanobacteriën vertegenwoordigen. Alle groepen zijn eerder gedefinieerd (5), met clades E1 en E2 (subclades van E) inclusief soorten van alle morfologische subsecties. Soorten die behoren tot de morfologische subsecties IV en V komen uitsluitend voor in E1. De groep AC bevat eencellig marien pico-fytoplankton (subsectie I) evenals enkele ongedifferentieerde meercellige soorten (subsectie III).

Tijdgekalibreerde fylogenie van cyanobacteriën met schattingen van divergentietijd. Bayesiaanse consensusboom (analyse 7) op basis van 16S-rRNA-gegevens met 95% hoogste posterieure dichtheden van de besproken knooppuntenleeftijden weergegeven als groene balken (analyses 1, 3, 5 en 7 overlappen elkaar). Morfologische kenmerken van taxa worden gemarkeerd door gekleurde vakken en vermeld in de inzet. Volledige taxonnamen worden weergegeven in Tabel S3. Takken met posterieure kansen >0.9 in alle analyses worden weergegeven als dikke lijnen. Grijze cirkels markeren punten die worden gebruikt voor de kalibratie van de boom. Details van de eerdere leeftijdsschattingen die voor kalibratie zijn gebruikt, worden weergegeven in Tabel 1. Een significante toename in diversificatiesnelheid (gele driehoek) [9,66-voudig (gemiddelde van alle analyses)] kan worden gedetecteerd bij knooppunt 3 en een kleine afname (rode driehoek) op 33/34. De eerdere verschuiving in de buurt van knooppunt 3 valt samen met de oorsprong van meercelligheid. Schematische tekeningen van cyanobacteriële fossielen worden onder de tijdlijn gegeven, met de tekeningen die worden gebruikt voor het kalibreren van de boom in rood gemarkeerd. Onze resultaten geven aan dat multicellulariteit (groene tint) is ontstaan ​​​​vóór of aan het begin van de GOE.

Geschatte divergentietijd.

Divergentietijden langs de cyanobacteriële fylogenie werden geschat onder Bayesiaanse ontspannen moleculaire klokken met behulp van twee verschillende modellen van niet-gecorreleerde snelheidsevolutie (26). Het is aangetoond dat een lognormale verdeling van tarieven beter presteert dan een model met exponentiële snelheidsverdeling (26). Daarom ging ons eerste model ervan uit dat de snelheden lognormaal verdeeld waren (ongecorreleerd lognormaal, UCLN). De robuustheid van de resultaten werd getest met een tweede model dat uitging van exponentieel verdeelde snelheden (niet-gecorreleerd exponentieel verdeeld, UCED) (SI-tekst). Voor elk klokmodel werd een reeks van acht verschillende analyses uitgevoerd om rekening te houden met een breed scala aan eerdere aannames en om hun invloed op de resultaten te evalueren (tabel 1 en tabel S1). De Bayesiaanse consensusboom van divergentie-tijdanalyse 7 wordt weergegeven in Fig. 1, inclusief leeftijdsschattingen (95% hoogste posterieure dichtheden, HPD) van belangrijke knooppunten zoals gegeven door analyses 1, 3, 5 en 7 (Tabel 1). Mediane knooppuntleeftijden ( ) worden getoond in Fig. 2 en zijn voorzien van 95% HPD in Tabel 1 (besproken knooppunten) en Tabel S2 (alle knooppunten). Hoewel de leeftijden van cyanobacteriële knooppunten varieerden met betrekking tot de analyses, zijn onze belangrijkste conclusies robuust voor verschillende eerdere kalibraties. Alle analyses gaven aan dat bestaande cyanobacteriën hun oorsprong vonden vóór de GOE (2,45 Bya). Meercelligheid is hoogstwaarschijnlijk ontstaan ​​langs de tak die naar knooppunt 3 leidt (5). Voor dit knooppunt suggereerden analyses een mediane leeftijd vóór of aan het begin van de GOE (vóór 2.36 Bya) (Tabel 1 en Tabel S1). De voorouder van de afstamming die naar knooppunt 3 leidde, was ook een ijkpunt in onze analyses (tabel 1). Fig. 3 vergelijkt de geïmpliceerde eerdere waarschijnlijkheidsverdelingen van dat kalibratiepunt met posterieure kansen van knooppunt 3, en beoordeelt dus de mate waarin onze eerdere aannames de uitkomst beïnvloedden. Hoewel de eerdere aannames een hogere kans op een leeftijd na de GOE rond 2,2 Bya geven, bevatten onze gegevens sterke signalen om deze priors tegen te gaan en in plaats daarvan een oudere mediane leeftijd van het knooppunt voor knooppunt 3 aan te geven, tussen 2,42-3,08 Bya (alle analyses) (Fig. 3 en Tabel 1), die vóór de GOE is. Verder wordt geschat dat de groepen E1, E2 en AC rond het einde van de GOE zijn ontstaan. Deze groepen omvatten de meerderheid van de levende cyanobacteriën (91% van 281 soorten en 88% van 4.194 stammen).

Afwijkingstijden voor vijf belangrijke knooppunten geschat met behulp van een ontspannen klok met door UCLN gedistribueerde evolutionaire snelheden


Modellen en resultaten

Populatie genetisch model

We breiden een genetisch standaardpopulatiemodel van de Red Queen-hypothese [38-41] uit om rekening te houden met neoplasie, d.w.z. het feit dat kankers afkomstig zijn van soortgenoten en hun genotypen in de populatie van overdraagbare kankercellen brengen. We onderscheiden twee stadia die overdraagbare kankercellen karakteriseren: kankercellen die met succes zijn overgedragen naar een nieuwe gastheer in een vorige generatie ('overdraagbare kankers' genoemd), en die welke nog niet zo'n infectiegeschiedenis hebben maar direct afgeleid zijn van de oorspronkelijke gastheer waar neoplasie optrad ('neokanker' genoemd). Neocancers worden overdraagbare kankers zodra ze met succes een nieuwe gastheer infecteren. We testen specifiek of co-evolutie tussen gastheren en overdraagbare kankers de evolutie van seks kan bevorderen volgens de Red Queen-hypothese.

We volgen de genotypische frequenties van haploïde gastheren en haploïde kankercellen door een levenscyclus die bestaat uit een telling, reproductie, neoplasie (ontwikkeling van neokankers) en selectie (die afhankelijk is van interacties tussen gastheren en overdraagbare kankers). We nemen aan dat gastheren en kankercellen elk populaties vormen van voldoende grootte zodat we de effecten van genetische drift kunnen negeren. We nemen ook aan dat tijd discreet is.

Genotypen.

Gastheren en overdraagbare kankers zijn haploïde en hebben twee loci, EEN en B, met twee mogelijke allelen (A/a, B/b) die de uitkomst van de interactie tussen gastheren en kankers bepalen.

Gastheren hebben een extra modifier-locus m met twee mogelijke allelen (M/m) die bepalen of de gastheer zich seksueel of ongeslachtelijk voortplant (hier de genvolgorde van EEN, B en m maakt niet uit). Gastheren die het allel M dragen, planten zich seksueel voort, terwijl gastheren die het allel m dragen zich aseksueel voortplanten. Hoewel kankercellen uiteindelijk zijn afgeleid van gastheercellen en dus de modifier-locus dragen m ook nemen we voor de eenvoud aan dat ze nooit aan seks en recombinatie deelnemen, daarom is het niet nodig om onderscheid te maken tussen kankercellen met allelen m en M in het model. Onze benadering geeft kankercellen zelf niet het vermogen om te fuseren en te recombineren [42, 43], omdat dit ons in staat stelt de oorspronkelijke argumentatie van Thomas en collega's (2019) [22] te volgen.

Als geheel zijn gastheren daarom van acht mogelijke genotypen (mAB, mAb, maB, mab, MAB, MAb, MaB, Mab) waarvan de frequenties , en overdraagbare kankercellen zijn van vier mogelijke genotypen (AB, Ab, aB, ab ) waarvan de frequenties .

Reproductie.

Gastheer individuen die het allel M dragen op de modifier locus m zich bezighouden met seksuele voortplanting. Willekeurige paring (die twee haploïde genomen samenbrengt) wordt onmiddellijk gevolgd door meiose. Tijdens meiose, loci EEN en B recombineren met snelheid Rgastheer. Recombinatie tussen deze loci (EEN en B) en plaats m is niet relevant, aangezien seksuele nakomelingen het allel M op locus . erven m van beide ouders. Gastindividuen daarentegen dragen allel m op locus m zich bezighouden met aseksuele reproductie, en genotypische frequenties in de aseksuele gastheerpopulatie veranderen niet. Alle overdraagbare kankercellen reproduceren klonaal, d.w.z. de genotypische frequenties in overdraagbare kankercellen veranderen niet.

Mutaties op de interactie loci treden op met een snelheid van mgastheer en mkanker per locus per generatie in respectievelijk de gastheren en de kankercellen. Als er een mutatie optreedt, wordt allel A (respectievelijk B) allel a (respectievelijk b) en vice versa. We nemen aan dat er geen mutatie is op de modifier locus m, omdat het ons doel is om te beoordelen of een allel M dat de seksuele reproductie regelt, de populatie kan binnendringen zodra het is geïntroduceerd.

Over het algemeen kunnen we uit frequenties en , de genotypische frequenties berekenen en in gastheren en kankercellen na reproductie, ervan uitgaande dat generaties elkaar niet overlappen.

Gastheerneoplasie en ontwikkeling van neokankers.

Overdraagbare kankers zijn uiteindelijk afgeleid van neoplasie en hebben aanvankelijk hetzelfde genotype als de oorspronkelijke gastheer van de neokanker (d.w.z. we nemen aan dat er geen somatische mutatie/selectie is tijdens het oncogene proces dat de kanker in de oorspronkelijke gastheer produceert). We gebruiken α om het aandeel van overdraagbare kankers aan te duiden die 'neokanker' zijn (zonder infectiegeschiedenis), met genotypische frequenties op de interactieloci. Het resterende deel 1−α van kankers zijn ‘overdraagbare kankers’ (met een infectiegeschiedenis), met genotypische frequenties die verschillen van die van neokankers. Indien α = 0, neoplasie komt niet voor en overdraagbare kankers kunnen in dat geval het best worden gezien als klassieke heterospecifieke parasieten die niet uit gastheercellen zelf ontstaan.

Daarom zijn, nadat neoplasie (de ontwikkeling van neokankers) heeft plaatsgevonden, de genotypische frequenties in de overdraagbare kankers: (1)

We nemen aan dat neoplasie niet afhankelijk is van het gastheergenotype - d.w.z. gastheren van elk genotype ontwikkelen in hetzelfde tempo neokankers. We nemen ook aan dat het gastheergenotype geen invloed heeft op de ernst van de fitnessgevolgen (voor de gastheer) van neoplasie. Daarom, zelfs als neoplasie de gastheermortaliteit verhoogt, verandert dit de genotypische frequenties in de gastheerpopulatie niet: .

Selectie.

Tijdens de selectiefase wordt aangenomen dat gastheren overdraagbare kankers (neokankers en overgedragen kankers) tegenkomen in verhouding tot hun frequentie. Veranderingen in genotypische frequenties worden bepaald door de match/mismatch op de interactie loci (EEN en B).

We implementeren het veelgebruikte matching-allelen-interactiemodel, nu geïnterpreteerd in de context van zelf-/niet-zelfherkenning. Wanneer er een exacte overeenkomst is tussen genotypen l en J van de gastheer en de infecterende kanker, heeft de infecterende kanker een hoge fitness (die we modelleren als fitnesscoëfficiënt), terwijl de gastheer lijdt aan fitnesskosten (fitnesscoëfficiënt). In het alternatieve geval waarin de genotypen l en J van de gastheer en de infecterende kanker niet overeenkomen, behoudt de gastheer zijn hoge fitnessvoordeel (fitnesscoëfficiënt ), terwijl de infecterende kanker een fitnesskost heeft (fitnesscoëfficiënt ).

Ervan uitgaande dat de waarschijnlijkheid van interactie tussen gastheergenotype l en kankergenotype J is het product van hun respectieve frequenties, en , de frequentie van gastheergenotype l na selectie is, waar is de geschiktheid van het gastheergenotype? l, gegeven door . Analoog worden de genotypische frequenties bij kanker na selectie berekend (met fitnesscoëfficiënten).

Bij het hierboven gepresenteerde selectieproces zijn we er daarom van uitgegaan dat transmissie alleen horizontaal plaatsvindt. In S2-bijlage implementeren we echter verticale overdracht van kankercellen van moeder naar nageslacht. Verticale transmissie veroorzaakt 'overeenkomstselectie' die ook het potentieel heeft om seks en recombinatie te bevorderen, terwijl het verschilt van genotypische selectie die wordt gecreëerd door co-evolutionaire fluctuaties in standaard Red Queen-modellen [44]. Agrawal (2006) gebruikte een standaard populatiegenetische benadering om het belang van gelijkenisselectie voor de evolutie van seks te benadrukken [44], maar er is meer theoretisch en empirisch werk nodig om te bevestigen dat dit een krachtig mechanisme is dat seksuele reproductie bevordert. Voor zover wij weten, zijn de enige andere modellen die de selectie van overeenkomsten in andere evolutionaire contexten overwegen, die van Greenspoon en M'Gonigle [45, 46].

Numerieke simulaties.

We starten de populaties in de veronderstelling dat alle gastheren aseksueel zijn (in gastheren, de frequentie van allel m op locus m is ingesteld op 1), en andere allelfrequenties worden willekeurig geïnitialiseerd, d.w.z. genotypische frequenties worden getrokken na uniforme verdelingen over het bereik [0,1] en worden vervolgens genormaliseerd zodat hun som gelijk is aan 1 in gastheren en overdraagbare kankers.

De initiële gastheer- en kankerpopulaties mogen gedurende 10.000 generaties co-evolueren (inbrandperiode), waarbij de dynamiek wordt berekend met behulp van de bovenstaande recursievergelijkingen. Het mutante allel M wordt vervolgens zodanig geïntroduceerd dat 5% van de gastheerpopulatie seksueel wordt (schakelt van allel m naar allel M), en gastheer- en kankerpopulaties mogen gedurende 1.000.000 generaties co-evolueren. Voor elke combinatie van geteste parameters voeren we 100 simulaties uit die worden gekenmerkt door verschillende beginvoorwaarden, zodat co-evolutionaire dynamiek verschillende limietcycli kan verkennen. Als we de frequentie van allel M vinden om een ​​frequentie >0.999 te bereiken en te behouden gedurende ten minste 500 generaties in de loop van ten minste één simulatie, nemen we aan dat seks kan binnendringen onder de combinatie van geïmplementeerde parameters.

Om een ​​gevoeligheidsanalyse te geven, variëren we de parameters α (aandeel van neokankers onder de populatie van overdraagbare kankers) en (sgastheer,skanker) (selectiecoëfficiënt geassocieerd met de interactie tussen gastheren en kankers), met mutatiesnelheden mgastheer = mkanker = 10 −5 . Voor elke combinatie van parameters voeren we simulaties uit met verschillende waarden van Rgastheer ∈ <0,005,0,01,02,0,05,0,1,0,2,0,3,0,4,0,5>(recombinatiesnelheid als gastheren zich seksueel voortplanten). Als seks kan binnendringen voor ten minste één waarde van Rgastheer, dan zijn we van mening dat seks kan evolueren onder de combinatie van parameters (α,sgastheer,skanker) getest. Merk op dat onze veronderstelling van implementatie α als een parameter is een vereenvoudiging die we maken om conceptueel begrip te krijgen van de rol die nieuw ontstane kankers spelen in de Red Queen-dynamiek, daarna schakelen we over naar kijken α als een opkomende eigenschap van het systeem in het hieronder gepresenteerde en geanalyseerde epidemiologische model. De computercode van de simulaties en van de analyses wordt geleverd als S1 Source Code.

Red Queen-dynamiek en evolutie van seks

Volgens de Red Queen-hypothese veroorzaken antagonistische interacties tussen gastheren en parasieten fluctuerende selectie, wat leidt tot niet-stabiele co-evolutionaire dynamiek (Red Queen-dynamiek) die de evolutie van seks bevordert. Zonder neoplasie (α = 0), laten we zien dat een dergelijke dynamiek optreedt in het genetische model van onze populatie met drie locus (zie parameterruimten begrensd door de duidelijke rode lijnen in figuur 1A, bijvoorbeeld figuur 1B). Bijgevolg kan seksuele reproductie de gastheerpopulatie binnendringen (in paars in figuur 1A), vooral als het associeert met een tussenliggende recombinatiesnelheid (S1 figuur). Deze voorspellingen zijn in overeenstemming met eerdere theorie over de Red Queen-hypothese.

(EEN) Gevoeligheid van de populatiegenetische modellen voor de selectiecoëfficiënten (sgastheer,skanker) en het aandeel van overdraagbare neokankers die recentelijk zijn afgeleid van de oorspronkelijke gastheer (α). Rode lijnen begrenzen de parameterruimten die leiden tot niet-stabiele en stabiele co-evolutionaire dynamiek in het drie-locusmodel (duidelijke lijn numeriek gevonden) en in het vereenvoudigde één-locusmodel (stippellijn analytisch gevonden in S1-bijlage). In het drie-locusmodel wordt de dynamiek gedefinieerd als 'stabiel' wanneer de variantie in genotypische frequenties over 500 tijdstappen lager is dan 10 −10. Donkerpaars geeft omstandigheden aan waaronder een modifier-allel geassocieerd met seksuele reproductie (en met recombinatie, ten minste voor een van de geteste recombinatiesnelheden) kan binnendringen in het drie-locusmodel in ten minste één van de 100 simulatieruns. De code die wordt gebruikt om deze gevoeligheidsanalyse uit te voeren, is te vinden in S1 Source Code. (BC) Voorbeelden van niet-stabiele en stabiele co-evolutionaire dynamiek in het drie-locusmodel. Het koppelingsonevenwicht in de gastheer wordt berekend als, d.w.z. een positief koppelingsonevenwicht vertegenwoordigt hier een niet-willekeurige overmaat aan allelcombinaties ab en AB. In (B) en (C) zijn de parameterwaarden: sgastheer = 0.5, skanker= 0,8, en α = 0 (B) of α = 0,1 (C).

De resultaten veranderen wanneer sommige van de overdraagbare kankers in omloop neokankers zijn, de resultaten van neoplasie die optreedt in de oorspronkelijke gastheren (α>0). Zelfs een klein deel van de neokankers is voldoende om de co-evolutionaire dynamiek tussen gastheren en overdraagbare kankers tot stilstand te brengen (Fig 1A, bijvoorbeeld Fig 1C). Neoplasie verstevigt het verband tussen genotypische frequenties bij gastheer en kanker (Vgl. 1), in de zin van het verminderen van enige tijdsvertraging tussen de twee evolutionaire dynamieken. Aangezien een tijdsverloop nodig is om co-evolutionaire fluctuaties te laten optreden en om seks de voorkeur te geven in Red Queen-modellen, maakt de voortdurende productie van nieuwe kankercellen van oorspronkelijke gastheren het onmogelijk voor seksuele reproductie om binnen te dringen als het aandeel neokankers te hoog is (Fig. 1A).

Andere sterke determinanten van de co-evolutionaire dynamiek zijn de sterke punten van selectie die verband houden met de interactie tussen gastheren en overdraagbare kankers (sgastheer,skanker). Over het algemeen bevorderen verhoogde selectiesterkten een niet-stabiele co-evolutionaire dynamiek en bevorderen ze de evolutie van seks (figuur 1A). Met andere woorden, wanneer resistentie of infectie gepaard gaat met een hoge fitheid bij respectievelijk gastheer en kanker, kan Red Queen-dynamiek optreden en de evolutie van seks bevorderen.

We krijgen met name dezelfde resultaten als we bedenken dat de voorouderlijke reproductieve modus facultatieve seksuele reproductie is (met gastheren die oorspronkelijk seksueel en aseksueel in dezelfde mate reproduceren S2 Fig). Neoplasie dempt ook co-evolutionaire cycli wanneer we rekening houden met meer dan twee interactie-loci die de interactie tussen gastheren en kankers mediëren (S3 Fig). Merk op dat het vergroten van de genotypische ruimte de omstandigheden beperkt waaronder seks kan evolueren volgens de Red Queen-hypothese (zoals getoond in [38] ).

Om meer inzicht te krijgen in het effect van het aandeel neokankers (α) over co-evolutionaire dynamiek tussen gastheren en overdraagbare kankers, beschouwen we een vereenvoudigd genetisch populatiemodel met één locus en lossen het analytisch op. Dit model is gebaseerd op een enkele autosomale haploïde locus EEN met twee mogelijke allelen (A/a), die de interactie tussen gastheren en overdraagbare kankers regelen. Dit model bevat geen modifier-locus die de reproductiemodus van de gastheer regelt die alle gastheren ongeslachtelijk reproduceren. We nemen ook aan dat er geen mutatie is (mgastheer = mkanker = 0). We bepalen de lokale stabiliteit van alle evenwichten door de eigenwaarden van de corresponderende Jacobiaanse matrices te analyseren (S1 Appendix). We laten zien dat alle evenwichten instabiel zijn, wat leidt tot een niet-stabiele co-evolutionaire dynamiek, alleen als het aandeel neokankers lager is dan een drempelwaarde EEN*(sgastheer,skanker): (2) met: (3)

Deze toestand wordt weergegeven door een rode stippellijn in figuur 1A. De maximale waarde van α dat zorgt voor een niet-stabiele co-evolutionaire dynamiek wordt hoger naarmate de selectiecoëfficiënten toenemen ( en ), zoals numeriek gevonden in het model met twee interactieloci (duidelijke rode lijn in figuur 1A). Deze analytische afleiding laat zien dat de amplitude van fluctuaties in selectie niet alleen klein wordt, maar deterministisch krimpt tot nul als α neemt toe. Daarom dempt neoplasie in deze vereenvoudigde genetische setting altijd de Red Queen-dynamiek. Dit verklaart waarom in het drie-locusmodel het geslacht niet kan evolueren als het aandeel van overdraagbare kankers afkomstig van gastheerneoplasie te hoog is.

Tot nu toe hebben we alleen horizontale transmissie overwogen, wat in ons model de evolutie van seks niet bevordert zodra neoplasie co-evolutionaire fluctuaties dempt. Hoewel de theorie over de Red Queen-hypothese gebaseerd is op een niet-stabiele co-evolutionaire dynamiek, kunnen antagonistische interacties de evolutie van seksuele reproductie via andere processen bevorderen. In S2-bijlage laten we zien dat verticale transmissie van kankercellen de evolutie van seks kan bevorderen via een afzonderlijk mechanisme, gelijkheidsselectie genoemd [44], waarbij het geslachtsbevorderende effect werkt in de afwezigheid van co-evolutionaire fluctuaties. Overeenkomstselectie vindt plaats wanneer er een prijs is verbonden aan het genotypisch vergelijkbaar zijn met de gezinsleden. In het bijzonder, vanwege de overdracht van kankercellen van ouder naar nageslacht, bestaat deze prijs als de infectiecompatibiliteit onder genetische invloed staat (bijvoorbeeld zoals in het matching-allelensysteem van ons genetische populatiemodel).

Epidemiologisch model

Het hierboven gepresenteerde populatiegenetische model behandelt het aandeel van overdraagbare neokankers die ontstaan ​​via neoplasie (α) en de selectiecoëfficiënt veroorzaakt door infectie door overdraagbare kankers (sgastheer) als onafhankelijke parameters. Toch zijn deze twee parameters waarschijnlijk gekoppeld in een meer realistische epidemiologische context, en met enkele combinaties van (α, sgastheer) is waarschijnlijker dan andere. We bouwen daarom een ​​expliciet epidemiologisch model om de epidemiologische instellingen te bepalen die de evolutie van geslacht kunnen bevorderen (zoals voorspeld door het populatiegenetische model hierboven).

In ons epidemiologische model kunnen gastheerindividuen kankervrij zijn ('vatbaar'), een neokanker ontwikkelen (via neoplasie) of worden geïnfecteerd door een overdraagbare kanker (zie het stroomschema van het model, figuur 2). Met name geïnfecteerde gastheren hebben een verhoogd sterftecijfer. We modelleren niet de mogelijkheid dat een gastheer beide soorten kankers tegelijkertijd heeft, maar nemen een parameter op (θ) waarmee de infectiestatus van het ene type naar het andere kan veranderen. Dus, θ controleert of neoplasie het kan 'overnemen' als de gastheer al een overgedragen kanker heeft en of, omgekeerd, een gastheer die neoplasie ondergaat, door een andere kanker kan worden geïnfecteerd.

Aangezien het doel van het model is om waarschijnlijke waarden van α afhankelijk van sgastheer, in plaats van enige Red Queen-dynamiek te volgen, nemen we geen enkele variantie in de genotypen van gastheren en parasieten op. In plaats daarvan nemen we aan dat geen enkele gastheer een overdraagbare kanker kan herkennen als niet-zelf en deze kan afweren omwille van de analytische traceerbaarheid, dus onderschatten we het aandeel neokankers en overschatten we de selectiecoëfficiënt, door het voor kankers gemakkelijk te maken om gastheren te blijven infecteren dan de originele (zoals weergegeven in S4-bijlage).

De volgende gewone differentiaalvergelijkingen regelen de veranderingen in dichtheden van gevoelige gastheren (S), gastheren die een neokanker ontwikkelden door neoplasie (l0), en gastheren die zijn geïnfecteerd door een overdraagbare kanker (lt): (4) met N = S+l0+lt.

Het geboortecijfer van het gastland is afhankelijk van de dichtheid met een geboortecijfer op baseline B en een draagvermogen K. Sterftecijfer bij baseline, onafhankelijk van dichtheid of infectiestatus, is μ, die is verheven tot μ+ν in geïnfecteerde gastheren (dus ν geeft de extra gastheersterfte aan die door de kanker wordt veroorzaakt). Neoplasie zorgt ervoor dat gastheren in een hoog tempo neokankers ontwikkelen λ0en gastheren kunnen geïnfecteerd raken door een overdraagbare kanker, gecontroleerd door een snelheid β en afhankelijk van de prevalentie van overdraagbare kankers. Parameter θ regelt de verandering in de infectiestatus. Indien θ = 0, één persoon kan slechts één type kanker hosten. Indien θ>0 kunnen hosts de infectiestatus wijzigen.

Epidemiologisch evenwicht

Prevalentie van overdraagbare kankers.

Afhankelijk van de parameterwaarden sterft de gastheerpopulatie uit of blijft bestaan ​​met S*+l0*+lt*>0 bij evenwicht (S3-bijlage). Deze evenwichtstoestand is stabiel en kenmerkt zich door een endemische infectie door overdraagbare kanker (l0*>0 en lt*>0 S3 Bijlage). Merk op dat een evenwicht waarin alle gastheren vatbaar zijn, wat mogelijk is in standaard epidemiologische modellen (SI-, SIR- en SIS-modellen), geen kenmerk van ons model is, omdat gevoelige individuen voortdurend neokankers produceren.

Bij evenwicht kunnen we de uitdrukking van de prevalentie afleiden P* van overdraagbare kankers, gedefinieerd als (S3 Appendix zie ook S4 Fig): (5)

Aandeel van neokankers.

Bij evenwicht bepalen we de uitdrukking van het aandeel neokankers ( ) dat we definiëren als (S3-bijlage): (6)

Selectiesterkte door overdraagbare kankers.

We bepalen ook de uitdrukking van de selectiecoëfficiënt veroorzaakt door overdraagbare kankers ( ) die we definiëren als de gemiddelde vermindering van de levensduur als gevolg van het risico op besmetting met overdraagbare kankers (S3-bijlage): (7)

Epidemiologische setting die de evolutie van seks bevordert

Om de epidemiologische omstandigheden af ​​te leiden die de evolutie van geslacht kunnen bevorderen, vergelijken we de eigenschappen van de evenwichtstoestand ( ) met de omstandigheden die de evolutie van geslacht in het vorige genetische populatiemodel met drie locus bevorderen, uitgaande van de benaderingen en .

Enkele parameters: het geboortecijfer (B), het draagvermogen (K), en de veranderingen in de infectiestatus (θ) - hebben geen effect op het aandeel neokankers ( ) en op de sterkte van selectie veroorzaakt door overdraagbare kankers ( ) bij het evenwicht (deze parameters beïnvloeden echter de dynamiek van ons epidemiologische model voordat het de evenwichtstoestand bereikt). Daarentegen zijn andere parameters—λ0, β, μ, en ν— beïnvloeden en hetzij rechtstreeks, hetzij via hun effect op de prevalentie van overdraagbare kankers (P*) (Vgl. 6 en 7 Fig. 3 en 4).

Elke epidemiologische parameter kan het aandeel neokankers (in blauw) en de sterkte van selectie veroorzaakt door overdraagbare kanker (in rood) bij evenwicht beïnvloeden, hetzij rechtstreeks, hetzij via het effect ervan op de prevalentie van overdraagbare kankers (zie Vgl. 6 en 7 en zie S3 Bijlage). Het rechterpaneel onder de kolom 'evenwichtstoestand' geeft het algehele effect aan van een verandering in parameterwaarde op of . Uit deze gevoeligheidsanalyses leiden we af of veranderingen in de epidemiologische instellingen de evolutie van geslacht kunnen bevorderen of niet (zoals voorspeld in het vorige genetische populatiemodel in paars). Merk op dat en niet afhankelijk zijn van parameters B, K, en θ.

(A,B) Effecten van epidemiologische parameters op evenwicht. (C) Omstandigheden waaronder seks de voorkeur verdient (afgeleid van het genetische populatiemodel met drie locus, Fig 1A). In grijs geven we de omstandigheden weer waaronder de gastpopulatie uitsterft, ervan uitgaande dat het basislijngeboortecijfer B gelijk aan één (voorwaarde die leidt tot uitsterven: μ+P*(λ0,β,μ,ν)>B zie S3 Bijlage). De code die wordt gebruikt om deze gevoeligheidsanalyse uit te voeren, is te vinden in S1 Source Code.

Snelheid van neoplasie (λ0).

Een hoge mate van neoplasie gaat gepaard met een hoog percentage neokankers ( ) bij evenwicht (Fig. 3 en 4A) en met sterke selectie veroorzaakt door overdraagbare kankers ( ) (via hoge prevalentie van kanker in Figuren 3 en 4B). Hoewel sterke selectie de voorkeur kan geven aan seks, gaat het hoge percentage neokankers dit effect tegen, en ons genetische populatiemodel voorspelt dat deze epidemiologische setting als geheel de evolutie van seks niet bevordert (figuur 1).

Aan de andere kant associeert een laag aantal neoplasieën zich met een laag percentage neokankers bij evenwicht, wat op zichzelf de seks zou bevorderen, maar dit associeert ook met overdraagbare kankers die slechts een zwakke selectie veroorzaken. Hier zorgt zwakke selectie ervoor dat seks opnieuw niet de voorkeur geniet (figuur 1). Epidemiologische overwegingen beperken daarom de omstandigheden waaronder seks evolueert: het is moeilijk om een ​​laag aandeel neokankers te combineren met een sterke selectie in de gastheer (S5 Fig). Over het algemeen leidt een lage mate van neoplasie eerder tot aandoeningen die de evolutie van seks bevorderen dan een hoge mate van neoplasie (figuur 4C).

Overdrachtssnelheid van kankers (β).

Een hoge overdrachtssnelheid van kankers gaat samen met een laag aandeel neokankers bij evenwicht (Fig. 3 en 4A) en met sterke selectie veroorzaakt door overdraagbare kankers (via hoge kankerprevalentie Fig. 3 en 4B) bij evenwicht. Als gevolg hiervan biedt een hoge overdrachtssnelheid van kanker gunstige voorwaarden voor de evolutie van seks (Fig. 3 en 4C).

Sterftecijfers (μ en ν).

Hoge sterftecijfers gaan gepaard met een hoog percentage neokankers bij evenwicht (figuren 3 en 4A). Dit effect treedt op in ons model omdat geïnfecteerde personen met een snelheid sterven μ+ν worden vervangen door vatbare pasgeboren individuen (stroom weergegeven in paars in figuur 2), en hoge sterftecijfers worden daarom geassocieerd met een lage prevalentie van kanker. De daaruit voortvloeiende lage prevalentie van kanker vermindert het risico om geïnfecteerd te raken door een overdraagbare kanker, wat leidt tot een hoog percentage neokankers bij evenwicht.

Voor hoge sterftecijfers verzwakt de daaruit voortvloeiende lage prevalentie van kanker de selectie veroorzaakt door overdraagbare kankers (Vgl. 7). Tegelijkertijd is echter het relatieve sterftecijfer als gevolg van kanker (ν/μ) versterkt direct de selectie veroorzaakt door overdraagbare kankers (Vgl. 7). Daarom is een hoog basissterftecijfer (μ) de selectie veroorzaakt door overdraagbare kankers direct verzwakt, naast het indirecte effect via de prevalentie van kanker. De situatie is anders in het geval van een hoge kankergerelateerde sterfte (ν), die tegengestelde directe en indirecte effecten heeft op selectie veroorzaakt door overdraagbare kankers. Inderdaad, het hoge relatieve sterftecijfer als gevolg van kanker (ν/μ) versterkt de selectie direct, terwijl de daaruit voortvloeiende lage kankerprevalentie de selectie verzwakt. Analytische afleidingen (S3-bijlage) laten zien dat voor een hoog basissterftecijfer (μ>βλ0), een hoog door kanker veroorzaakt sterftecijfer (hoge ν) leidt tot sterke selectie. Voor een laag basissterftecijfer (μβλ0), wordt selectie veroorzaakt door overdraagbare kankers in plaats daarvan gemaximaliseerd bij tussenliggende waarden van kankergeïnduceerde mortaliteit (gemiddeld) ν) (Figuur 4B).

Als gevolg hiervan is de combinatie van een laag sterftecijfer bij baseline μ en een gemiddeld kankergeassocieerd sterftecijfer ν leidt tot omstandigheden die de evolutie van seks bevorderen (figuur 4C).

Over het geheel genomen suggereren onze resultaten dat de voorwaarden voor overdraagbare kankers om te selecteren voor seks het gunstigst zijn als overdraagbare kankers bestaan ​​in een situatie met een laag aantal neoplasieën (laag λ0), een hoge overdrachtssnelheid (hoge β), en een gemiddeld kankergeassocieerd sterftecijfer (gemiddeld) ν) bij gastheren met een laag basissterftecijfer (lage μ). Ons epidemiologisch model benadrukt dat het aandeel neokankers (α) en de selectiecoëfficiënt veroorzaakt door overdraagbare kankers (sgastheer), die als onafhankelijke parameters in het populatiegenetisch model worden gebruikt, worden gemakkelijk gekoppeld wanneer ze worden bekeken in een epidemiologische setting. Preciezer gezegd, epidemiologie beperkt de omstandigheden die leiden tot zowel een laag percentage neokankers als een hoge selectie in gastheer (S5 Fig), omdat de prevalentie van overdraagbare kankers beide parameters tegelijkertijd beïnvloedt. Onze resultaten suggereren daarom dat het bereik van parameterwaarden die de omstandigheden bieden waaronder seks kan binnendringen, relatief smal is (figuur 4C). De evolutie van geslacht is nog minder waarschijnlijk als selectie op overdraagbare kanker als gevolg van een mislukte infectie (skanker) neemt af, ongeacht andere parameterwaarden (Fig 4C).


Materialen en methodes

Menselijke proefpersonen en bloedafname.

De perifere bloedmonsters van patiënten met de ziekte van Hansen werden verkregen van het National Sorokdo Hospital, het gespecialiseerde nationale ziekenhuis voor de ziekte van Hansen in Korea. Tot de proefpersonen behoorden degenen die DDS (DDS-groep) namen en die het niet ten minste 1 jaar vóór de bloedafname namen ( geen DDS-groep). De controlepersonen werden gerekruteerd uit de provincie Jeolla. Deze studie is goedgekeurd door de Institutional Review Board van het Seoul National University College of Medicine (IRB-goedkeuringsnr. C-0803-023-237). Aanbevelingen van de Verklaring van Helsinki voor biomedisch onderzoek met mensen werden ook gevolgd.

IJzerverlagend vermogen van plasmatest.

Het ferri-reducerende vermogen van plasma (FRAP) -assay werd uitgevoerd op basis van de methode van Benzie en Strain (32). De absorptie werd geregistreerd bij 593 nm. Absorptiemeting werd gedurende maximaal 8 minuten uitgevoerd, maar de aflezingen van 2 minuten werden geselecteerd voor de berekening van de FRAP-waarde. De resultaten werden uitgedrukt als Trolox-equivalent.

Nematoden stammen.

We gebruikten de N2 Bristol-stam als de wildtype-stam. C. elegans mutante stammen die in deze studie worden gebruikt, zijn van het genotype daf-16(mu86), eten-2(ad465), isp-1(qm150), adls2122 [gfp::lgg-1, rol-6(su10060)], en pyk-1(ok1754), die allemaal werden verkregen van het Caenorhabditis Genetics Center.

Levensduurmeting van de nematode.

We maten de levensduur van wormen bij 20 °C. In alle experimenten hebben we wormen uitgesloten die stierven door het barsten van vulva's, het vormen van wormzakken of het klimmen op plaatwanden. We beschouwden een worm als dood als de worm niet reageerde op een platinapluk. De significantie werd bepaald door de verschillen in de gemiddelde levensduur te vergelijken met behulp van de log-rank (Mantel-Cox) test (33).

Lipofuscine Autofluorescentie Meting.

We fotografeerden lipofuscine-autofluorescentie in de wormen met behulp van een 525-nm banddoorlaatfilter met een belichtingstijd van 800. Elke dag werden ten minste 30 wormen gemeten om het gemiddelde en de SE van lipofuscine-autofluorescentie te berekenen.

Dieren en experimentele omstandigheden.

Mannelijke BALB/c-muizen (20-25 g lichaamsgewicht, 4 weken oud) werden voor gebruik 1 week geacclimatiseerd.DDS (0,2, 0,5, 2 mg/kg) werd elke dag gedurende 3 maanden intragastrisch toegediend aan de groepen van zes muizen en daarna werden de spieren gescheiden. Alle dierstudies werden goedgekeurd door de Animal Experimentation Committee van de Seoul National University.

C2C12 celcultuur.

C2C12-cellen werden verkregen van de American Type Culture Collection. Voor differentiatie werd het medium vernieuwd of veranderd in DMEM aangevuld met 2% FBS (mitogeenarm, differentiatiebevorderend medium) wanneer de cellen 60 tot 70% samenvloeiing bereikten.

Analyse van C. elegans Mitochondriale breuken.

Wormen werden geoogst en gehomogeniseerd in de S basale buffer. Mitochondriale en cytosolische fracties werden ingevroren, ontdooid en behandeld met 0,8% CHAPS vóór meting van het mitochondriacomplex V (34).

ATP-meting.

ATP-niveaus werden gemeten zoals eerder beschreven met kleine wijzigingen (35).

Amplex Red Assay voor H2O2 Meting.

Mogelijke ROS-opruimingseffecten van DDS werden onderzocht zoals eerder beschreven (36), met behulp van een Amplex Red waterstofperoxide/peroxidase-assaykit (Molecular Probes).

DHE-assay voor meting van superoxide-anionen.

Nadat 20 M DDS 72 uur was behandeld, werden C2C12-myotubes 30 minuten behandeld met 50 M PQ en vervolgens 15 minuten bij 37 ° C in het donker geïncubeerd met 5 μM DHE (Molecular Probes). Vervolgens werd ethidium-DNA-fluorescentie gevisualiseerd onder een fluorescentiemicroscoop met LSM510 META (Carl Zeiss-vergroting, 200x).

Meting van lipidenoxidatie.

Lipideoxidatie werd gemeten met behulp van een fluorescerende sonde (11C-BODIPY581/591 Molecular Probes) zoals eerder beschreven (37).

Oxidatieve stressbestendigheidstest.

Voor C. elegans, we voegden 250 mM PQ in M9-buffer toe aan een 24-putjesplaat met 5-d-oude F2-wormen die in elk putje met DDS werden gevoed en telden op elk tijdstip levende wormen. Voor C2C12-myotube-cellen werden myotubes gewassen met PBS en gedurende 48 uur in basale media met 1 mM natriumpyruvaat (1 x) of testmedia aangevuld met 10 mM natriumpyruvaat (10 x) geplaatst. C2C12-myotubes werden ook geïncubeerd in media aangevuld met 10 mM natriumbicarbonaat (10 x NaHCO3), om te controleren op veranderingen in de osmolariteit. Nadat 50 μM PQ 48 uur was behandeld, werd de levensvatbaarheid van de cellen gemeten met behulp van een troponine T (een spierdifferentiatiemarker, kloon JLT-12 Sigma), zoals eerder beschreven (38).

Zuurstofconsumptietest.

Voor C. elegans, werden de zuurstofverbruiksnelheden gemeten met behulp van een Clark-type zuurstofelektrode (782 Oxygen Meter Strathkelvin Instruments), zoals eerder beschreven (39, 40). Voor C2C12-myotubes werden de C2C12-myotubes behandeld met DDS en vervolgens werden cellen uitgeplaat in de met fluorescente kleurstof ingebedde microplaat met 96 putjes van het BD-zuurstofbiosensorsysteem (BD Biosciences). De C2C12-myotubes werden 3 uur geïncubeerd en vervolgens werden de resultaten afgelezen met een fluorescerende microplaatlezer (Wallac Victor3V 1420 Multilabel Counter Perkin-Elmer).

Modellering van DDS-binding.

DDS werd gemodelleerd in de PABA-bindingsplaats van DHPS door de aminofenylgroep van DDS te superponeren op de equivalente positie van PABA en de structuur van kat PK werd gesuperponeerd op het DHPS.

PK-activiteitstest.

De PK-activiteit werd bepaald met een eerder beschreven procedure (41). Voor in vitro experimenten gebruikten we 0,003 eenheden/reactie type I PK-preparaat van konijnenspier (Sigma).

Pyruvaat metingen.

Het pyruvaatgehalte werd gemeten met behulp van een in de handel verkrijgbare op fluorescentie gebaseerde testkit (BioVision) volgens het protocol van de fabrikant. Het pyruvaatgehalte werd genormaliseerd tot totaal eiwit en uitgedrukt als nmol/mg eiwit.


Bekijk de video: 5V - Genexpressie deel 1 (December 2021).