Asal Multicellularity: Semua dalam Keluarga

Salah satu langkah yang paling penting dalam evolusi-transisi dari uniseluler ke-organisme multisel mungkin tidak diperlukan sebagai retooling sebanyak biasanya percaya, menemukan sebuah kolaborasi dunia-rentang dari ilmuwan yang dipimpin oleh para peneliti di Salk Institute untuk Studi Biologi dan US Department Joint Genome Institute Energy.

Sebuah perbandingan genom ganggang multiseluler Volvox carteri dan terdekat uniseluler relatif Chlamydomonas reinhardtii mengungkapkan bahwa organisme multiselular mungkin telah mampu membangun mesin lebih kompleks molekul mereka sebagian besar dari daftar yang sama dari bagian-bagian yang sudah tersedia untuk nenek moyang uniseluler mereka.

"Jika Anda memikirkan protein dalam bentuk batu bata lego Chlamydomonas sudah memiliki satu set lego yang besar," kata James Umen, Ph.D., asisten profesor di Molekuler dan Seluler Tanaman Laboratorium Biologi di Institut Salk. "Volvox tidak perlu membeli yang baru, dan sebaliknya bisa bereksperimen dengan apa yang telah diwarisi dari leluhurnya."

Secara keseluruhan temuan, yang diterbitkan dalam jurnal Science, menunjukkan bahwa inovasi pengkode protein sangat terbatas terjadi pada garis keturunan Volvox. "Kami berharap bahwa akan ada beberapa perbedaan besar dalam ukuran genom, jumlah gen, atau gen ukuran keluarga antara Volvox dan Chlamydomonas," kata Umen. "Sebagian besar yang ternyata tidak demikian."

Evolusi multicellularity terjadi berulang kali dan independen dalam garis keturunan yang beragam termasuk hewan, tumbuhan, jamur, serta hijau dan ganggang merah. "Transisi ini adalah salah satu peristiwa evolusioner besar yang berbentuk kehidupan di bumi," kata rekan penulis pertama Simon E. Prochnik, Ph.D., Ilmuwan Computationial di DOE Joint Genome Institute. "Ini telah menghasilkan banyak pikiran dan spekulasi tentang apa yang membuat organisme multiselular yang berbeda atau lebih kompleks daripada nenek moyang uniseluler mereka."

Dalam kebanyakan kasus beralih dari keberadaan soliter ke satu komunal terjadi begitu lama-lebih dari 500 juta tahun-bahwa perubahan genetik yang memungkinkan sangat sulit dilacak. Sebuah pengecualian yang menarik untuk aturan adalah ganggang hijau volvocine. Bagi mereka, transisi untuk multicellularity terjadi dalam serangkaian kecil, perubahan berpotensi adaptif, dan peningkatan progresif pada morfologi dan perkembangan kompleksitas masih dapat dilihat pada anggota kelompok kontemporer (lihat tampilan slide).

Volvox, anggota paling canggih dari garis keturunan tersebut, diyakini telah berevolusi dari nenek moyang Chlamydomonas-seperti dalam kurun waktu 200 juta tahun terakhir, membuat dua organisme hidup model menarik untuk mempelajari perubahan evolusi yang membawa multicellularity dan diferensiasi selular.

Untuk mengumpulkan data untuk analisis genomik komparatif, para peneliti diurutkan dari 138.000.000 dasar pasangan genom Volvox menggunakan strategi senapan seluruh genom. Genom itu sendiri adalah 17% lebih besar dari sebelumnya genom diurutkan Chlamydomonas dan perbedaan urutan antara keduanya adalah sebanding dengan bahwa antara manusia dan ayam.

Meskipun terjadi peningkatan ukuran genom sederhana, jumlah protein diperkirakan ternyata sangat mirip untuk dua organisme (14.566 di Volvox vs 14.516 di Chlamydomonas) dan tidak ada perbedaan yang signifikan dapat diidentifikasi dalam repertoar dari domain protein atau kombinasi domain. domain Protein adalah bagian dari protein yang dapat berkembang, fungsi, dan ada secara independen dari sisa rantai protein.

"Ini agak tak terduga," jelas Umen, "karena inovasi di tingkat domain yang diperkirakan sebelumnya berperan dalam evolusi multicellularity di pabrik dan garis keturunan binatang."

Berbeda dengan keseluruhan kurangnya inovasi, keluarga protein khusus untuk volvocine alga, seperti protein matriks ekstraseluler, yang diperkaya dengan Volvox dibandingkan dengan Chlamydomonas. Setiap koloni Volvox jatuh tempo terdiri dari sel-sel flagellated banyak mirip dengan Chlamydomonas, yang dilekatkan pada permukaan suatu benda yg bulat dari rumit berpola matriks ekstraseluler (ECM) yang jelas terkait dengan dinding sel Chlamydomonas. Mungkin tidak mengherankan, perbedaan dalam ukuran dan kompleksitas antara Volvox ekstraselular matriks dan dinding sel Chlamydomonas dicerminkan oleh peningkatan dramatis dalam jumlah dan berbagai gen Volvox selama dua protein keluarga besar ECM, pherophorins dan VMPs.

Selain itu, Umen dan rekan-rekannya mengidentifikasi peningkatan jumlah protein D siklin di Volvox, yang mengatur pembelahan sel dan mungkin diperlukan untuk memastikan peraturan kompleks pembelahan sel selama pengembangan Volvox. Last but not least, Volvox diadaptasi beberapa gen yang ada untuk mendapatkan fungsi baru. Anggota keluarga pherophorin, untuk satu, tidak hanya membantu membangun matriks ekstraseluler; beberapa subtipe berevolusi menjadi pemicu hormonal diffusible untuk diferensiasi seksual.

Peneliti yang juga memberikan kontribusi untuk pekerjaan ini termasuk Alan Kuo, Uffe Hellsten, Jarrod Chapman, Astrid Terry, Jasmyn Pangilinan, Asaf Salamov, Harris Shapiro, Erika Lindquist, Susan Lucas, Igor V Grigoriev, Harris dan Daniel S. Shapiro Rokhsar di US Department of Joint Genome Institute Energi di Walnut Creek, Patrick Raksasa di Salk Institute untuk Studi Biologi, Aurora Nedelcu di Universitas di Fredericton New Brunswick, Kanada, Arman Hallmann di Universitas Bielefeld, Jerman, Stephen M. Miller di University of Maryland , Baltimore, Ichiro Nishii di Universitas Wanita Nara yang di Nara-shi, Jepang, Lillian K. Fritz-Laylin di Center for Genomics Integratif, Berkeley, Oleg Simakov di EMBL di Heidelberg, Jerman, Stefan A. Rensing di Universitas Freiburg, Jerman, Vladimir Kapitonov dan Jurka Jerzy di Institut Penelitian Genetika Informasi di Mountain View, Schmutz Jeremy di Institut HudsonAlpha di Huntsville, Rüdiger Schmitt di Universitas Regensburg, Jerman dan Kirk David di Universitas Washington di St Louis.