W renomowanym czasopiśmie PNAS ukazała się praca, której współautorami są naukowcy z Pracowni Bioinformatyki i Biologii Genomu.
Artykuł pt. Reduction of embryonic E93 expression as a hypothetical driver of the evolution of insect metamorphosis jest wynikiem międzynarodowej współpracy pomiędzy dr Guillemem Yllą z WBBiB UJ, zespołem z Instytutu Biologii Ewolucyjnej (CSIC-UPF) w Barcelonie (Hiszpania) oraz grupą prof. Takaakiego Daimona z Uniwersytetu w Kioto (Japonia).
Dlaczego nimfy i dorosłe karaczany wyglądają prawie identycznie, a młode motyle (larwy) tak bardzo różnią się od form dorosłych? Co za tym stoi? Co decyduje o typie metamorfozy u owadów?
„Tajemnica metamorfozy owadów fascynowała ludzi od niepamiętnych czasów. W ciągu ostatnich 10 lat dokonano wielkiego postępu w tej dziedzinie i odkryto wiele szczegółów tego procesu" – mówi Xavier Bellés, profesor badań w CSIC. Dr Guillem Ylla, kierownik Pracowni Bioinformatyki i Biologii Genomu dodaje, że „Ogromna część postępu, jaki dokonał się w ostatnich latach w zrozumieniu procesu metamorfozy, wynika z zastosowania nowych technologii pozyskiwania danych genomowych i ich analizy z wykorzystaniem bioinformatyki".
Ważnym odkryciem na drodze „rozszyfrowania" mechanizmu metamorfozy było stwierdzenie, że czynnik zwany E93 determinuje przemianę osobnika młodego w dorosłego u wszystkich owadów, zarówno tych przechodzących metamorfozę prostą, jak i całkowitą. Jednak, według prof. Bellésa „Wciąż tajemnicą pozostawało, jak metamorfoza prosta ewoluowała do całkowitej i jaki genetyczny czynnik zadecydował o tym ewolucyjnym przejściu”.
Wyniki badań opublikowane w PNAS rzucają światło na istotne aspekty tej niewiadomej – wskazują one, że poziom akumulacji czynnika E93 w trakcie rozwoju embrionalnego owadów może mieć kluczowy wpływ na ten proces. Rezultaty uzyskane przez naukowców z WBBiB UJ oraz CSIC pokazują, że czynnik E93 jest niezbędny do prawidłowego rozwoju embrionalnego owadów przechodzących przeobrażenie niezupełne, takich jak karaczany. Z kolei u owadów, które przechodzą przeobrażenie całkowite, takich jak muszki owocowe, E93 nie ulega ekspresji w zarodku. Dr Ylla dodaje: „Obserwacje te skłoniły nas do postawienia hipotezy, że E93 w zarodku jest niezbędny do powstania stadium młodocianego podobnego do stadium dorosłego (jak u owadów przechodzących metamorfozę prostą). Utrata embrionalnej ekspresji tego genu pozwoliła na pojawienie się metamorfozy całkowitej, w której stadia młodociane morfologicznie nie przypominają form dorosłych".
Dr Gabriela Machaj, współautorka pracy, przeprowadziła rozległą analizę setek zestawów danych transkryptomicznych pochodzących od kilkudziesięciu gatunków owadów i ustaliła, że czynnik E93 jest obecny w zarodku wszystkich owadów przechodzących przeobrażenie proste i nieobecny w zarodkach owadów o metamorfozie zupełnej. Jak mówi – „wykorzystując dużą ilość danych omicznych, udało się nam udowodnić, że obserwacje poczynione początkowo na kilku modelowych owadach są w rzeczywistości prawidłowością występującą u wszystkich insektów". Z kolei dr Ylla podkreśla, że „piękno tej pracy polega na tym, że udało nam się dostrzec tę regularność świata przyrody, a właśnie do tego dążymy jako naukowcy".
Według autorów ich praca stanowi zmianę paradygmatu w badaniach i rozumieniu metamorfozy owadów. W związku z powyższym mają nadzieję, że ich odkrycia doprowadzą do lepszego zrozumienia, sposobu regulacji oraz ewolucji procesu metamorfozy.
Poziom białka E93 w zarodku może tłumaczyć ewolucję metamorfozy u owadów
Rys. 1. Obniżony poziom E93 na początku rozwoju embrionalnego powoduje, że zarodek karaczana, w tym przypadku prusaka (Blattella germanica), nie rozwija się prawidłowo. Po lewej stronie znajduje się normalny embrion, a po prawej embrion ze zredukowanym poziomem E93. Białko E93 jest więc kluczowe dla udanego tworzenia się zarodka i nimfy karaczana.
Dwie strategie metamorficzne
W metamorfozie prostej, występującej m.in. u karaczanów czy koników polnych, z jaja wykluwa się nimfa, która wyglądem bardzo przypomina dorosłego osobnika. Nimfa rozwija się przez kilka wylinek, aby stać się zdolnym do reprodukcji dorosłym osobnikiem. Natomiast w przypadku metamorfozy zupełnej, charakterystycznej dla much czy motyli, z jaja wylęga się larwa, której wygląd bardzo różni się od wyglądu dorosłego osobnika. Larwa rośnie i przechodzi przez stadium pośrednie zwane poczwarką, aż wreszcie osiąga stadium dorosłe. Metamorfoza zupełna ma tę zaletę, że larwy i osobniki dorosłe nie konkurują o te same zasoby, jak to ma miejsce między nimfami i osobnikami dorosłymi u owadów o metamorfozie prostej.
U wszystkich owadów białko E93 sprzyja powstawanie osobników dorosłych w ostatnim stadium młodocianym. Dlatego też E93 nazwane jest „determinantą dorosłości". Niniejsze badania sugerują, że E93 odgrywa rolę „determinanty dorosłości" już w zarodku owadów przechodzących przeobrażenie proste. E93 ma wpływ na powstawanie nimfy, która jest niczym innym jak miniaturowym dorosłym. Obserwacje te skłoniły autorów do wysunięcia hipotezy, że redukcja ekspresji E93 w zarodku była warunkiem koniecznym do powstania larwy morfologicznie innej niż osobnik dorosły i co za tym idzie – powstania w procesie ewolucji metamorfozy całkowitej.