W badaniach uczestniczyli eksperci z Uniwersytetu Jagiellońskiego, Instytutu Biologii Ewolucyjnej w Barcelonie oraz Uniwersytetu w Kioto.

„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” – powiedział prof. Xavier Belles z hiszpańskiej Consejo Superior de Investigaciones Científicas (Wyższa Rada Badań Naukowych), cytowany we wtorkowej informacji prasowej Uniwersytetu Jagiellońskiego.

Ważnym odkryciem na drodze do 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, jak zauważył prof. X. Belles, wciąż tajemnicą pozostawało, w jaki sposób metamorfoza prosta ewoluowała do całkowitej i jaki genetyczny czynnik zadecydował o tym ewolucyjnym przejściu.

Opublikowane w amerykańskim czasopiśmie PNAS („The Proceedings of the National Academy of Sciences”) wyniki badań, które prowadzone były wspólnie przez naukowców z Uniwersytetu Jagiellońskiego i Instytutu Biologii Ewolucyjnej w Barcelonie, rzucają światło na istotne aspekty tej niewiadomej. Rezultaty prac naukowych wskazują, że poziom akumulacji czynnika E93 w trakcie rozwoju embrionalnego owadów może mieć kluczowy wpływ na ten proces.

W opublikowanym artykule wykazano, 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.

„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). Z kolei utrata embrionalnej ekspresji tego genu pozwoliła na pojawienie się metamorfozy całkowitej, w której stadia młodociane morfologicznie nie przypominają form dorosłych” – wyjaśnił dr Guillem Ylla, kierownik Pracowni Bioinformatyki i Biologii Genomu Wydziału Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii UJ.

Dr Gabriela Machaj, współautorka pracy, przeprowadziła rozległą analizę setek zestawów danych transkryptomicznych pochodzących od kilkudziesięciu gatunków owadów. Transkryptomika to dziedzina nauk biologicznych, obejmująca zakres biologii molekularnej, genetyki i bioinforamatyki, która zajmuje się badaniem ekspresji genów, czyli określeniem miejsca i czasu ich aktywności poprzez badanie transkryptomu (całego zestawu mRNA) obecnego w danym momencie w komórce, grupie komórek lub całym organizmie. Wyniki badań prowadzonych przez dr Machaj wykazały, że czynnik E93 jest obecny w zarodku wszystkich owadów przechodzących przeobrażenie proste i nieobecny w zarodkach owadów o metamorfozie zupełnej.

„Wykorzystując dużą ilość danych transkryptomicznych udało się nam udowodnić, że obserwacje poczynione początkowo na kilku modelowych owadach są w rzeczywistości prawidłowością występującą u wszystkich insektów” – powiedziała dr Machaj i dodała: „Piękno tej pracy polega na tym, iż udało się dostrzec pewną regularność świata przyrody, a właśnie do tego dążymy jako naukowcy”.

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, w przeciwieństwie do nimf i osobników dorosłych u owadów o metamorfozie prostej.

U wszystkich owadów białko E93 promuje powstawanie osobników dorosłych w ostatnim stadium młodocianym. Dlatego zostało nazwane "determinantą dorosłości". Opublikowane wyniki badań sugerują, że E93 odgrywa tę rolę już w zarodku owadów przechodzących przeobrażenie proste. E93 promuje 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, wyewoluowania metamorfozy całkowitej.(PAP)

bko/ agt/