Ein einzelnes Gen führt dazu, dass die Nesselzelle ihren Stachel verliert

23. Februar 2023

Dieser Artikel wurde gemäß dem Redaktionsprozess und den Richtlinien von Science X überprüft. Die Redakteure haben die folgenden Attribute hervorgehoben und gleichzeitig die Glaubwürdigkeit des Inhalts sichergestellt:

faktengeprüft

peer-reviewte Veröffentlichung

vertrauenswürdige Quelle

Korrekturlesen

von Krishna Ramanujan, Cornell University

Als Wissenschaftler ein einzelnes regulatorisches Gen in einer Seeanemonenart deaktivierten, wechselte laut einer neuen Studie eine Nesselzelle, die eine giftige Miniaturharpune zur Jagd und Selbstverteidigung abfeuert, dazu, einen klebrigen Faden abzuschießen, der die Beute umhüllt.

Die an der Seeanemone Nematostella vectensis durchgeführten Untersuchungen zeigen, wie die Deaktivierung eines Gens namens NvSox2 den Übergang von einer durchdringenden Zelle (Nematozyten genannt) zu einer klebrigen, fesselnden Zelle (Spirozyten genannt) ermöglichte. Der Befund legt nahe, dass sich die Nematozytenzelle dank der Entwicklung des NvSox2-Gens möglicherweise aus einem Spirozyten entwickelt hat.

„Dieses eine Gen steuert einen Wechsel zwischen zwei alternativen Zellschicksalen; es steuert eine ganze Reihe von Merkmalen, die dieser Zelle eine völlig andere Identität verleihen“, sagte Leslie Babonis, Assistenzprofessorin für Ökologie und Evolutionsbiologie an der Cornell University.

Babonis ist der korrespondierende Autor von „Single-Cell Atavism Reveals an Ancient Mechanism of Cell Type Diversification in a Sea Anemone“, veröffentlicht in Nature Communications.

„Nesselzellen“ kommen bei allen Nesseltieren vor – auch bei Seeanemonen, Korallen, Hydraen und Quallen. Sie dienten in der Arbeit als Modellzelle, da es sie in mehreren Dutzend Zelltypen mit unterschiedlichen Formen und Funktionen gibt, was es den Forschern ermöglichte, grundlegende evolutionäre Fragen zu untersuchen, wie ein einzelner Zelltyp mit vielen verschiedenen Formen äußerst vielfältig werden kann.

Im Kern zielt diese Studienrichtung darauf ab, die Entwicklung der Tiervielfalt besser zu verstehen, da alle Lebensformen aus einzelligen Organismen entstanden sind, die mit der Spezialisierung und Differenzierung der Zellen im Laufe der Zeit immer komplexer wurden.

Die Ergebnisse unterstreichen die Tatsache, dass eine Art Funktionsflexibilität in die genetische Architektur der Nesselzellen von N. vectensis eingebaut ist. Wenn beispielsweise eine kleine Population von N. vectensis in eine neue Umgebung umziehen würde, in der sich ein klebriger Faden als vorteilhafter erweisen würde als eine durchdringende Harpunenzelle, wäre nur eine kleine Mutation in einem Gen erforderlich, um den Wechsel durchzuführen.

„Die Möglichkeit, zwischen verschiedenen Zelltypen zu wählen, gibt einem Tier viel Flexibilität, um in neue Lebensräume einzudringen und neue Merkmale zu entwickeln“, sagte Babonis.

Sowohl Nematozyten als auch Spirozyten enthalten ein neuartiges Organell, das aus einer dicken, unter Druck stehenden Kapsel besteht. Wenn Beute oder Raubtier in der Nähe entdeckt wird, kollabiert die unter Druck stehende Kapsel und schleudert ein Projektil aus der Zelle – bei Nematozyten eine Harpune und bei Spirozyten einen klebrigen Faden, der die Beute umfängt.

Babonis und Kollegen nutzten die CRISPR/Cas9-Genbearbeitung, um einen NvSox2 auszuschalten, einen Transkriptionsfaktor, der an DNA bindet und die Expression nachgeschalteter Gene verändert. Auf diese Weise entdeckten die Forscher, dass die Rolle von NvSox2 darin besteht, die Entwicklung klebriger Zellen zum Schweigen zu bringen und an ihrer Stelle die Entwicklung durchdringender Zellen zu fördern.

„Die Zellen sahen völlig anders aus und hatten eine völlig andere Funktion als die Zellen der Wildtyp-Tiere“, sagte Babonis.

In zukünftigen Arbeiten planen Babonis und Kollegen, das Ausmaß dieses Phänomens zu untersuchen, indem sie nach der gleichen Einzelgenkontrolle über zwei Zellschicksale bei anderen Nesseltierarten suchen, einschließlich einer eng verwandten Korallenart. Ein langfristiges Ziel des Projekts besteht darin, rückwärts zu arbeiten, um den Mindestsatz an Genen zu identifizieren, der erforderlich ist, um eine Nesselzelle zu bilden, die noch ein Projektil abschießen kann. Von dort aus werden sie mit Variationen experimentieren.

„Können wir eine Art Nesselzelle herstellen, die sich noch nie zuvor entwickelt hat?“ fragte Babonis. Beispielsweise, sagte sie, könnte eine winzige Zelle, die eine kleine Injektionsnadel abfeuert, wertvolle medizinische Anwendungen haben.

Mehr Informationen: Leslie S. Babonis et al., Einzelzell-Atavismus enthüllt einen alten Mechanismus der Zelltyp-Diversifizierung in einer Seeanemone, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-36615-9

Zeitschrifteninformationen:Naturkommunikation

Zur Verfügung gestellt von der Cornell University