Naukowa kariera jeżowca – czy zastąpi myszy i muszki owocowe?

Pod ścianą, jedne na drugich, stoją rzędy małych, plastikowych zbiorników. Każdy mieści jeżowca wielkości ziarnka grochu. Na wszystkich pojemnikach naklejono taśmy z informacją o modyfikacji genetycznej zwierzęcia i dacie zapłodnienia. Na niektórych znajduje się dodatkowo symbol oznaczający zwierzęta, które mają zmodyfikowane DNA komórek płciowych, co oznacza, że mogą przekazać swą mutację potomstwu… To science-fiction? Nie, to rzeczywistość Instytutu Oceanografii Scripps na Uniwersytecie Kalifornijskim. Co mogą dać nauce zmodyfikowane genetycznie jeżowce? Czy będziemy wkrótce nurkować w oceanie ze zwierzętami zmutowanymi przez człowieka?!

Morskie jeże świecące w ciemnościach

Pod koniec marca 2024 r. na serwerze bioRxiv opublikowano preprint artykułu Stable germline transgenesis using the Minos Tc1/mariner element in the sea urchin, Lytechinus pictus, pod którym podpisali się Elliot W. Jackson, Emilio Romero, Svenja Kling, Yoon Lee, Evan Tjeerdem i Amro Hamdoun. Choć publikacja ma być zwieńczeniem pięciu lat pracy zainicjowanej z powodu nadmiaru czasu na początku pandemii SARS-CoV-19 w jednym z kalifornijskich laboratoriów, materiał zapowiada przełom w badaniach z dziedzin biologii rozwoju i biologii komórki.

Zamiast muszek owocowych albo modyfikowanych genetycznie na potrzeby eksperymentów myszy, naukowcy będą odtąd mogli używać zmodyfikowanych genetycznie morskich jeżowców. Na dowód zaprezentowano pierwsze pokolenie jeżowców obrazkowych (Lytechinus pictus), które odziedziczyły po swych zmodyfikowanych genetycznie rodzicach możliwość produkcji białka odpowiedzialnego za fluorescencję. Czy świecą w ciemnościach?

Jeżowiec obrazkowy

Lytechinus pictus (ang: painted sea urchin) nie dorobił się jeszcze swojej polskiej nazwy. Żyje, niestety, z dala od popularnych nurkowisk, na rafach koralowych strefy zwrotnikowej i podzwrotnikowej wschodniej części Oceanu Spokojnego w pasie wybrzeża od Kalifornii po Ekwador. Na archipelagach Galapagos czy Revillagigedo, tak popularnych pośród polskich nurków, występują prawdopodobnie jedynie jego bliscy krewni – Lytechinus semituberculatus(ang: green sea urchin). By trochę zbliżyć się do tego interesującego zwierzęcia, spróbujmy na potrzeby artykułu nazwać go jeżowcem obrazkowym.

Jeżowce obrazkowe (Lytechinus pictus) żyją w dość gęstych skupiskach, w pobliżu wodorostów, od koron raf do głębokości aż 300 m. Najłatwiej jednak spotkać je podczas nurkowania nocnego. Ich pancerze (test) dorastają do 0,4 cm średnicy. Są szarobrązowe, mają krótkie i tępe kolce, w dolnej części jasne z paletą fioletu i różu na końcach. W nauce opisano je dwukrotnie i dopiero w 2004 r., dzięki badaniom genetycznym okazało się, że Lytechinus pictus (Verrill, 1867)i Lytechinus anamesus (H.L. Clark, 1912)to jeden i ten sam gatunek.

Jeżowce obrazkowe (Lytechinus pictus) żywią się wodorostami z rodzajów Laminaria, Gigartina i Macrocystis. Na nie z kolei polują barwne rozgwiazdy Patiria miniata (ang: bat star), których ramiona wyglądają tak, jakby miały między nimi błony (stąd porównanie z morskim nietoperzem) oraz kilka gatunków ryb, w tym nawet jeden rekin. Teraz jeden z końców tego łańcucha ma mocno chwycić człowiek.

Po co nauce jeżowce?

Lytechinus pictus zasłużyły się nauce po raz pierwszy w 1982 r., wspólnie z innymi jeżowcami z rodzaju Arbacia. Sir Richard Timothy Hunt badał rozwój ich zarodków i na tej podstawie obwieścił odkrycie cyklin – kluczowych białek, które sterują podziałami komórek. Za swe odkrycie nagrodzony został Nagrodą Nobla w 2001 r. Co zatem jeszcze mogą zrobić dla nas jeżowce?

Badania nad jeżowcami dostarczyły informacji na temat mechanizmów zapłodnienia, podziału komórek i wczesnego rozwoju. Nasz wspólny przodek żył na Ziemi jakieś 550 mln lat temu, w oceanie kambru, obok trylobitów i anomalocarisa. Jeżowce znajdują się ewolucyjnie blisko podstawy naszej gałęzi zwierząt. Należą wraz z nami do kladu zwanego wtórouste (Deuterostomia) – oznacza to, że nasze odbytnice tworzą się podczas etapu zarodkowego przed naszymi ustami. Na poziomie komórkowym translacja mieszaniny białek zapłodnionego jaja w rozwijającą się istotę nadal przebiega podobnie u jeżowców i ludzi.

Lytechinus pictus produkują ogromne ilości jaj i plemników, do zapłodnienia dochodzi jednak w wodzie, poza organizmami rodzicielskimi. Pozwala to naukowcom obserwować proces stworzenia na dużą skalę i z bliska. Genetycznie jeżowce mają więcej wspólnego z ludźmi niż muszki owocowe (Drosophila). Kolejne pokolenie rodzi się w ciągu czterech do sześciu miesięcy. To wręcz idealny materiał dla ewolucjonistów. Tyle, że niełatwo dostępny…

Świecące jeżowce z Kalifornii

Naukowcy ze Scripps Institution of Oceanography na Uniwersytecie Kalifornijskim zaczęli od zsekwencjonowania genomu Lytechinus pictus. Było to niezbędne przed podjęciem jakichkolwiek prób manipulacji genetycznych i opracowaniem systemu produkcji na masową skalę modyfikowanych genetycznie jeżowców na potrzeby laboratoryjne. W marcu 2024 r. zademonstrowano możliwość edycji genów jeżowca poprzez wszczepienie im CFP (Cyan Fluorescent Protein) – zmodyfikowanego białka bazującego na słynnym GFP – białku fluorescencyjnym meduzy Aequorea victoria, za którego odkrycie Martin Chalfie, Roger Yonchien Tsien i Osamu Shimomura otrzymali w roku 2008 nagrodę Nobla. Takie białko świeci po pobudzeniu światłem o określonej długości fali. Na drodze dalszych mutacji zmieniano czas świecenia oraz jego kolory.

Dzisiaj do badań zamawia się zmodyfikowane genetycznie w wymagany eksperymentem sposób myszy. Wywołuje to często protesty ludzi, którym na sercu leży cierpienie zwierząt. Czy transgeniczne jeżowce mogą je zastąpić? Jeżowce są pierwszorzędnymi organizmami modelowymi do badania wczesnego rozwoju wtóroustych, jednak do wykorzystywania ich w laboratoriach cykl rozrodu i wzrostu większości gatunków jest zbyt długi. Lytechinus pictus ma jeden z najkrótszych okresów generacji. Zmutowane jeżowce z Kalifornii nie tylko wytworzyły w swoich ciałach białko fluorescencyjne, ale i przekazały tę cechę potomstwu.

Pokazuje to, że insercja była stabilna i opracowany mechanizm działa. Daje to nadzieję, że Lytechinus pictus mogą stać się kolejnym gatunkiem organizmów modelowych dla różnych dziedzin nauki. W niedalekiej przyszłości naukowcy mogą być zatem w stanie produkować masowo jeżowce z określonymi modyfikacjami genów – tak jak ma to miejsce obecnie w przypadku muszek owocowych i myszy. Jeżowce laboratoryjne mogą pomóc w neurobiologii, toksykologii czy biologii rozwoju. Mogą też ułatwić zrozumienie mechanizmów prowadzących do ewolucji kluczowych rozwiązań biologicznych, takich jak scentralizowany układ nerwowy.

Nurkowanie z mutantami na wodach otwartych

A ryzyka? Na Karaibach grasują potężne populacje inwazyjnych skrzydlic (Pterois volitans i Pterois miles). Ryby te cieszą oczy w trakcie nurkowań w Indopacyfiku, jednak wywracają drabinę pokarmową, polując na wszystko, co się rusza, podczas gdy same nie są dla nikogo pokarmem. Badania genetyczne schwytanych osobników wykazały, że ryby pochodzą od zaledwie kilku organizmów rodzicielskich, które rozprzestrzeniły się po rafach Zatoki Meksykańskiej, Morza Karaibskiego i zachodniego Atlantyku, startując u wybrzeży Florydy.

Legenda głosi, że wydostały się z jednego z tamtejszych oceanariów w trakcie huraganu, jednak oficjalnie obwinia się o to… akwarystów. Co, jeśli Prawo Murphy’ego zadziała po raz kolejny i któregoś dnia transgeniczne jeżowce przedostaną się do wód otwartych? Trudno przewidzieć konsekwencje, ale nurkowanie wśród świecących, najeżonych kulek może być wtedy naszym najmniejszym zmartwieniem…

---

W artykule korzystałem m.in. z:

1. Elliot W. Jackson, Emilio Romero, Svenja Kling, Yoon Lee, Evan Tjeerdema, Amro Hamdoun (2024) Stable germline transgenesis using the Minos Tc1/mariner element in the sea urchin, Lytechinus pictus. „bioRxiv” 2024.03.26.586777; DOI: https://doi.org/10.1101/2024.03.26.586777
2. Evans T, Rosenthal ET, Youngblom J, Distel D, Hunt T. (1983) Cyclin: a protein specified by maternal mRNA in sea urchin eggs that is destroyed at each cleavage division. „Cell” 33(2):389-96. DOI: https://doi.org/10.1016/0092-8674(83)90420-8. PMID: 6134587.
3. Petroni G, Formenti SC, Chen-Kiang S, Galluzzi L. (2020) Immunomodulation by anticancer cell cycle inhibitors. Nat Rev Immunology” 20(11):669-679. DOI: https://doi.org/10.1038/s41577-020-0300-y. Epub 2020 Apr 28. PMID: 32346095;
4. Zigler, K.S. and Lessios, H.A. (2004) Speciation on the Coasts of the New World: Phylogeography and the Evolution of Bindin in the Sea Urchin Genus Lytechinus. „Evolution” 58:1225-1241. DOI https://doi.org/10.1111/j.0014-3820.2004.tb01702.x
5. Granja-Fernández, Rebeca; Brenda Maya-Alvarado, Amílcar-L. Cupul-Magaña, A.-Paola Rodríguez-Troncoso, Francisco-A. Solís-Marín i Rosa-C. Sotelo-Casas (2021) Echinoderms (Echinodermata) from the Central Mexican Pacific. „Revista de Biología Tropical” 69(S1):219-253. DOI: https://dx.doi.org/10.15517/rbt.v69isuppl.1.46356
6. Gorka Sancho, Peter R. Kingsley-Smith, James A. Morris Jr., C. Anna Toline, Vanessa McDonough i Sarah M. Doty (2018) Invasive Lionfish (Pterois volitans/miles) feeding ecology in Biscayne National Park, Florida, USA. „Biological Invasions” 20:2343-2361. DOI: https://doi.org/10.1007/s10530-018-1705-4
7. Albins, Mark A.; Mark A. Hixon (2013) Worst case scenario: potential long-term effects of invasive predatory lionfish (Pterois volitans) on Atlantic and Caribbean coral-reef communities. „Environmental Biology of Fishes” 96, 1151–1157 (2013). https://doi.org/10.1007/s10641-011-9795-1