Fra Genom til kroppsplan: Ett mysterium
Evolution News & Views 24 januar 2017 oversettelse fra: http://www.evolutionnews.org/2017/01/from_genome_to103451.html

Bilde 1: Fra Genome til Body Plan.jpeg

Dekoding av genom har vært en av de viktigste fremskritt i de siste seksti årene, men det er egentlig bare starten på et langt større mysterium: mysteriet av embryoets utvikling. Du kan fokusere på omfanget av problemet i Illustra animasjonen av et kylling embryo i " Embryonic Development-lenke" fra Flight: The Genius of Birds-lenke . En enda mer majestetisk skildring nærmere hjemmet, tar deg fra øyeblikket av unnfangelsen til fødselen av en baby i denne animasjonen av RenderingCG -lenke. Hvordan kan et lineært genom produsere et slikt utrolig produkt? Så, hvordan kan det bevegelige, levende vesen redusere sin informasjon tilbake til et genom i en enkelt celle?


Tre tyske forskere diskuterer mysteriet i en artikkel i Nature, som løst kan bli oversatt, "Fra genom til kroppsplan og tilbake"-lenke.


Et langsiktig mål i biovitenskap er å forstå hvordan organisme-formen er kodet fra genomet. En viktig utfordring er å identifisere mekanistiske sammenhenger mellom gener som styrer cellens skjebne-beslutninger og de cellulære maskiner som genererer form, og derfor lukker gapet mellom genotype og fenotype. Logikken og mekanismer som integrerer disse ulike nivåer av form-kontroll begynner å bli beskrevet, og nylig oppdagede mekanismer for kryss-kommunikasjon og tilbakemeldinger begynner å forklare den bemerkelsesverdige robustheten i organdannelse. Full 'sirkel-forståelse' av morfogenese som dukker opp, foruten å løse en viktig oppgave i biologi, danner et mekanistisk rammeverk for fremtidige tilnærminger til vevs-dannelse.


Stopp akkurat der. Hvorfor må rammene være mekanistiske? Ikke bare snakker de om "logikken og mekanismer som integrerer" på ulike nivåer? Logikk er ikke mekanistisk; det er konseptuelt. Logikk kan starte i kretser, på papir, og i menneskelig språk. Mekanismen kan være det primære aspektet av morfogenese, at naturvitenskapen kan undersøke, men begrenser en undersøkelse til et "mekanistisk rammeverk" er en sikker på å gå glipp av budskapet i en bok, ved bare å vurdere papir og blekk.
Etter en kort historie av morfogenese teori fra Aristoteles til epoken av molekylær genetikk, hevder forfatterne at problemene i "mekanistisk sentrerte tilnærminger" til slutt ble løst på 1970-tallet. Her forvirrer de fotballspillere for strategien av stykket (så å si). De beskriver handlingene til spillerne, som om de opererer mekanisk, mens de gjemmer lagkapteinens kampplan bak verb i passiv form: "styres" - av hvem?


"Den første 'milepel-publikasjon' fra dette epokegjørende prosjektet, avdekket at det første trinnet i morfogenese, er inndelingen av embryoet i adskilte områder av en kaskade av 'mønster-gener'. Bare da er hvert domene omdannet til det tilsvarende område av kroppen, gjennom et skreddersydd morfogenetisk program, derfor etableres at tidspunkt, posisjonering og arv av vev-forms hendelser styres genetisk. Påfølgende molekylær karakterisering i Drosophila og andre systemer, avdekket at mønster-gener hovedsakelig koder signalveier som medierer langtrekkende vevs-mønster og gen-regulatoriske nettverk, som styrer skjebne-beslutninger; imidlertid kontrollere ikke slike gener celle og vevsform direkte. Snarere er oppgaven med fysisk å forme celler og vev utført ved hjelp av en verktøykasse av viktige cellulære maskiner, oppdaget av cellebiologer, som finnes i alle celler i embryoet".
Vi setter pris på omtale av et program, en verktøykasse, og maskiner, men hvem skrev programmet? Hvem utviklet verktøy og maskiner? Det er som om forfatterne ser på verktøy i bevegelse og opererer uten hender: "Sammen viser disse studiene et bilde der vevsform bestemmes av de kombinerte handlingene til genetiske, cellulære og mekaniske inndata. Selv om en rekke av de viktigste spillerne nå er kjent, og deres funksjoner forstått, vet vi fortsatt forbausende lite om hvordan de ulike nivåene av form-kontroll er integrert under morfogenesen".

Bilde 2. Kroppsplan hos bananflue (Fra Signature in the Cell av C.S.Meyer; Fig. 13.4)


"Er integrert" - av hvem? Passiv formen av verbet skjermer disse forfatterne fra å identifisere troverdige årsaker. Og så ved å begrense sin oppmerksomhet til hvordan deler av saken "er integrert," vitner de om kaniner som kommer ut av hatter uten en magiker:"Fokuset i denne vurderingen er logikk og mekanismer som kobler gen-regulering, cellulære effektorer og vevs-skala mekanikk - troikaen av vevsdannelse. Vi beskriver hvordan form, på lokalt nivå, kommer fra samspillet av vevsspesifikke genetiske inndata og selvorganiserende oppførsel av kjerne-intracellulære maskiner. Vi diskuterer deretter hvordan denne mekanistiske logikken er brukt i flere modifiserte former, for å produsere en rekke form-dannelser. Det blir klart at kommandokjeden, fra gen til form, ikke er enveis, på grunn av oppdagelsen av mekanismer som muliggjør endringer i vevsarkitektur og feedback-mekanikk for "oppstrøms mønster-nettverk". Den nye integrerte visningen av vevsformer går derfor full sirkel, fra morfogen til morfogenese og tilbake".
Mekanistisk filosofi blir håpløst rotete her. For å se hvorfor, konverter den passive stemmen til aktiv stemme. "Mekanistisk logikk brukes" skal bety, "Noen eller noe bruker logikk for å betjene en maskin." En baby-form dukker ikke bare opp, av "selvorganiserende atferd" unntatt i fantasien til en filosofisk materialist.


Derfra kommer forfatterne inn i ugress, de diskuterer kimblærer, frukt-fluer, "evolusjonært konserverte, mekanisk-sensitive gangveier" og andre saker. Det burde være innlysende, at hvis du starter på feil spor, kommer du ikke til å nå dit du ønsker å gå (dvs. forstå morfogenese). I dette drømmeland, vil kaniner sprette ut av hatter av fremveksten. Babyer vil selv organiseres. Program vil fungere uten en programmerer.
Forfatterne undrer seg hvordan "organ-dannere" dukker opp fra induserte, pluripotente stamceller. Er dette et eksempel på selvorganisering? Etter å ha tenkt på det, innrømmer de at mer må foregå.


"En fantastisk demonstrasjon av full sirkel-natur morfogenese, i hvilke gener regulerer vevs-dannelse og vice versa, kommer fra studiet av organ dannelser. Her selv-monteres dyrkede pluripotente celler inn organlignende strukturer som er bemerkelsesverdig like dem som dannes i embryoet. Organ-dannelse kan også bli generert fra pasient-avledede, induserte pluripotente stamceller, noe som betyr at denne teknologien har potensiale til å innvarsle en ny æra i vevsdannelse for modellering av sykdom og utvikling av terapi, som er basert på prinsippene til utviklingsbiologi. ... Organ-formasjon viser at cellene kan bli organisert i fravær av forutbestemte langtrekkende eksterne mønster-påvirkninger, som morfogene gradienter eller mekaniske krefter, som er en hjørnestein i klassisk utviklingsbiologi. Denne uventede mangel på krav til langtrekkende pre-mønster har ført til organ-dannelse som beskrives som et eksempel på en "selv-organisering ', som er definert som den klassisk spontane veksten av orden, gjennom interaksjon av innledningsvis homogene komponenter. Selv om noen aspekter av organ-formasjoner kan vise selvorganiserende egenskaper, er det allerede klart at celle-heterogenitet og mønstrede genuttrykk, spiller en avgjørende rolle gjennom det hele".


Organene vil aldri dannes ved selvorganisering, derfor, med mindre kodede instruksjonene i hver celle, henviser dem i henhold til "mønstrede genuttrykk" - det er det som er avgjørende. De har en plan, som spillere i et band eller lagformasjon, i en "spre-dere" formasjon, for feltet selvorganisering til en formasjon. Hver spiller vet hvor de skal gå.

Bilde 3. Embryo av ulike arter


Det samme utgave av Nature tar en mekanistisk titt på relaterte spørsmål om hierarkisk organisering. Hvordan "dukker det opp"? I deres artikkel "Scaling single-cell genomics from phenomenology to mechanism," begynner Tanay og Regev:
"Tre av de mest grunnleggende spørsmål i biologi er hvordan de individuelle cellene differensieres til å danne vev, hvordan vev fungerer på en koordinert og fleksibel måte, og hvordan gen-regulerende mekanismer støtter disse prosessene. Encellet genomikk åpner opp nye måter å takle disse spørsmålene, ved å kombinere omfattende genomikk-natur med den mikroskopiske oppløsning som er nødvendig, for å beskrive komplekse flercellede systemer. Innledende encelle-genom studier forsynte en bemerkelsesverdig rik fenomenologi av heterogene cellulære tilstander, men transformere observasjonsstudier til modeller av dynamikk og årsaksmekanismer i vev, stiller nye utfordringer og krever sterkere integrering av teoretiske, beregningsorienterte og eksperimentelle rammer"
Selv om de søker et mekanistisk rammeverk igjen, anvender de intelligent design for å komme dit: håndtere spørsmål, som kombinerer konsept, søker årsaker. Vil en "sterkere integrering av teoretisk, beregningsorienterte og eksperimentelle rammer" dukke opp ved ikke-styrte materielle prosesser? Vel, synes de å tenke, celler gjorde noen merkelige ting på den måten:


Flercellede organismer har utviklet sofistikerte strategier for samarbeid mellom celler, slik at en enkelt genom, koder for mange spesialiserte og utfyllende funksjonelle programmer som maksimerer fitness, når de jobber sammen. Seksjonering på flere nivåer - celler, vev og organer - fører til funksjonelle spredning av celler og system med samme underliggende genom. Fysiske kopier av genomet er innebygd i cellene slik at de kan opprettholde en semi-autonom beslutningsprosess gjennom selektiv styring av små-molekyl, RNA og proteinkonsentrasjonen i cytoplasmatiske og kjernefysiske avdelinger. Teoretisk tillater dette genomer å bryte den iboende symmetri som pålegges av nøyaktig duplisering av DNA i flercellede arter. Spesielt letter det cellulær differensiering gjennom progressivt erverv av spesifikke, intracellulære molekylære strukturer, slik at epigenetiske mekanismer dukker opp for å implementere cellulær hukommelse. På et høyere nivå av organisasjon, intercellulær signalering, blir ekstra-cellulære strukturer og miljømessige signaler brukt til å danne komplekse romlige strukturer i hvilke celler (og deres genomer) fysisk er innleiret. Dette skaper ytterligere nivåer av seksjonering som koder for komplekse og strukturerte vev.
Mer rot. På den ene siden, strategier, koder, programmer, beslutningstaking, signaler og signal - noe som tyder på rasjonalitet. På den annen side, evolusjon, oppdukking, og fysisk stoff - som tyder på materie. Forfatterne blander olje og vann, tenker oljen utviklet seg ut av vannet og kokte begge inn i en sufflé.


Etter litt distraksjon i saker om celletyper kan klassifiseres i noen lineære system, eller ikke, stolte de på at vitenskap er i ferd med å flytte fra beskrivende beretninger til prediktiv forståelse:
"Arbeidet mot kartlegging og klassifisering av cellulære programmer i mennesker og modellorganismer blir stadig mer ambisiøse, tar sikte på å gi en omfattende atlas av celletyper og subtyper av organer og hele organismer. Dette åpner opp bemerkelsesverdige muligheter til å flytte utover beskrivende studier av celletype og tilstand og for å utvikle mekanistisk-prediktive modeller av regulatoriske programmer".

Bilde 4. Celle-celle kommunikasjonssystem


Det er ingen tvil om at mekanismer er involvert i utvikling. Men for å blande inn en annen metafor: de er fokusert på hvordan billiard baller flytter seg og samhandle på biljardbordet, men ignorerer ekspertisen til spillerne. Selv om spillerne er roboter, og skuddene er forutsigbare og repeterbare, vil du gå glipp av spillets egenart uten å vurdere intelligent design som dirigerer hver ball inn i sin egen lomme i riktig rekkefølge. Designet benytter naturlovene, men dukker ikke opp fra dem.

 

Oversatt av Asbjørn E. Lund (Bildene sto ikke i opprinnelig artikkel, evt. untatt det 1., og er satt inn av undertegnede, se lenke i Bilde-nr)