Leter etter skillet mellom encellete og flercellete dyr

I mer enn én milliard år rådet bakterier og arkebakterier på Jorda. De kalles prokaryote fordi de alle var encellete organismer uten cellekjerner. De klarte seg utmerket uten alle oss  avanserte og flercellete vesener rundt seg. De formerte seg og jafset og drepte hverandre i beste vellyst.

En dag skjedde det noe stort. Arkebakteriene, som levde under ekstreme forhold, fikk noen nære encellete slektninger som ble kalt eukaryote celler. Den store forskjellen fra bakteriegjengen var at disse nyskapningene var celler med cellekjerner, noe du kan lese mer om i starten på denne temautgaven av Apollon.

Biologene ynder å kalle de encellete, eukaryote skapningene for protister. Protistene klarte seg utmerket i sin ensomme tilstand. Men etter lang tid skjedde det atter en banebrytende hendelse i evolusjonen. Noen encellete organismer slo seg sammen og dannet flercellete organismer. Uten denne mirakuløse endringen i livets utvikling ville vi mennesker aldri ha sett dagens lys.

Mens encellete organismer må ta seg av alle oppgavene sine i den ene cellen de har fått til rådighet, er cellene i flercellete dyr spesialiserte med ulike oppgaver. Selv om alle cellene i de flercellete dyrene inneholder nøyaktig de samme genene, koordinerer cellene seg imellom hvilke gener som skal brukes hvor.

– Selv om overgangen fra encellete til flercellete organismer er en stor, evolusjonær hendelse, har denne overgangen skjedd flere ganger – uavhengig av hverandre. Dyr, planter og sopp er fra tre slike hendelser, forteller forsker Jon Bråte på Institutt for biovitenskap ved Universitetet i Oslo.

Eldst

Jon Bråte bruker nå avanserte, molekylærbiologiske metoder til å lete etter forskjeller og likheter mellom encellete og flercellete dyr.

Ved å sammenligne genene kan han finne ut av når de enkelte genene oppstod og hvilke gener som er unike for de flercellete dyrene.

For å finne ut av dette er det lurt å vite hvilket dyr som var førstemann på Jorda. Her strides forskerne. Var det svamper eller ribbemaneter?

Man har lenge tenkt at svamper var det første dyret. Skapningen er svært enkel. Den er bare hakket mer avansert enn en pose med hull i.

For noen år siden sekvenserte forskere arvematerialet til ribbemaneten. De kunne da slå fast at ribbemaneten er den eldste slektningen vår.

– Det skapte furore. I motsetning til svamper har ribbemaneten både muskler og nerver. Hvis ribbemaneten oppstod før svamper, må evolusjonen ha gått baklengs. Da må svamper ha tapt både muskler og nerver underveis. Siden den gangen har det kommet artikler om dette hvert eneste år.

Bofellesskap

Et av de store spørsmålene hos biologene er overgangen fra encellete organismer som begynte å slå seg sammen, til flercellete organismer. Her har biologene studert noen typer protister, som verken er dyr, planter eller sopp.

Den første forsiktige starten på flercellethet var bofellesskap, der protistene holdt sammen som i et kollektiv, men uten cellulær kontakt med hverandre.

Forskere avdekker nå at protisten krageflagellater hadde en evolusjonsfordel av å danne bofellesskap. Krageflagellaten er en av de nærmeste slektningene til dyr og fikk navnet fordi den både har krage og en lang hale, kalt flagell, som den fanger bakterier med.

– Når krageflagellatene går sammen i en koloni, kan hvert enkelt individ spise flere bakterier enn når de spiser alene. Hvis det ene individet mister en bakterie, kan det neste lettere få tak i den.

Denne samarbeidsformen kan ha vært forløperen til flercellete organismer.

Akkurat som oss avanserte dyr har protistene flere livsstadier.

– Vi har krageflagellater som kan veksle mellom forskjellige stadier. De kan være encellete og danne kolonier, og de kan danne et slags frøstadium, akkurat som kjønnscellene våre. Flercellet liv kan ha oppstått ved at disse fasene har begynt å samarbeide, men dette er fortsatt bare en spekulasjon.

Uansett: Encellethet er fortsatt et viktig stadium for flercellete organismer.

Også vi mennesker skal gjennom de encellete stadiene – sædceller og det encellete, befruktede egget – før vi blir til en flercellet organisme.

Leter etter unike gener

Det har vært et møysommelig arbeid å lete etter de unike genene som er selve symbolet på flercellete organismer.

Før menneskets genom ble avdekket har forskere tenkt seg at det skjedde en enorm, genetisk overgang da livet utviklet seg fra encellet til flercellet.

Det stemmer ikke.

Da forskerne startet DNA-sekvenseringen av dyr, fant de fort ut at det er en helt bestemt type gener som styrer hvordan celler skal kommunisere seg imellom og hvordan cellene skal fordele arbeidet sitt. Disse genene fantes hos alle dyr og har endret seg lite gjennom evolusjonshistorien.

Forskerne tenkte derfor at disse genene var unike for dyr.

Uheldigvis datt teorien sammen da forskerne også sekvenserte DNA-et til krageflagellater.

– Mange av de genene som dyreceller bruker til å kommunisere med hverandre, finnes også hos protister.

Et eksempel er de gener som oversetter de kjemiske signalene i reseptorene til genetiske koder. En reseptor kan sammenlignes med en mottaker.

– Encellete dyr må oppfatte verden rundt seg, så genetisk sett er de vel så avanserte som dyr.

Mens dyr har et rikt utvalg av reseptorer som enten peker inn i cellen eller mellom celler, har protistene et tilsvarende repertoar av reseptorer som peker ut av cellene.

Poenget er at de genene som skaper de ulike celletypene hos dyr, allerede fantes før dyrene var skapt.

– Det er ikke nødvendigvis slik at det kom så mange nye gener da dyrene oppstod, men at det oppstod nye kombinasjoner av gener eller nye måter å bruke genene på. Du kan sammenligne dette med å spille kort. Måten du bruker dem på, avgjør hvordan spillet utvikler seg, poengterer Jon Bråte.

Han har derfor stilt seg spørsmålet om overgangen fra encellet til flercellet liv kanskje ikke var så stor som man tidligere har trodd.

– Mangfoldet av gener i flercellete dyr er nesten det samme som i encellete protister. Det er ikke der vi finner svar på hva som skiller oss fra dem.

Søppel-DNA

Ettersom Jon Bråte ikke har funnet de genene som er særegne for flercellete organismer, har han i stedet prøvd å undersøke om det er andre deler av DNA-strengen som skiller dyr fra de encellete slektningene våre.

For å komme i mål har Jon Bråte sett på det som kalles ikke-kodende DNA, populært kalt for søppel-DNA.

For å skjønne dette må Apollon gi deg en lynkjapp innføring på noen få setninger. Arvestoffet vårt – genomet – består av DNA-strenger som inneholder alle genene våre. Genene er koder for proteiner.

Når et gen skal utføre en handling, dannes først en kopi av genet som består av RNA. Dette RNA-et kan kalles en budbringer. RNA transporteres til det stedet i cellen der handlingen skal utføres. Der danner det et protein som utfører selve jobben.

Søppel-DNA er den delen av DNA-strengen vår som ikke er gener. De er dermed ikke koder for hvilke proteiner som skal dannes og hva de skal gjøre.

Overraskende består brorparten av DNA-et vårt av søppel-DNA.

– Ideen er at det ligger mange gamle rester og utdødde gener i DNA-strengen vår.

De siste årene har forskerne funnet mange uforklarlige RNA-molekyler hos høyerestående dyr.

– Vi har stilt oss spørsmålet om dette er unikt for dyrene, eller om disse genetiske elementene oppstod allerede hos encellete dyr.

En type RNA som dannes fra søppel-DNA, kalles mikro-RNA (miRNA). – De er med på å regulere hvordan genene skal brukes.

Det finnes tusenvis av ulike mikro-RNA-er. De er veldig korte – bare drøye tjue basepar lange. De utvikler seg raskt. Det er derfor veldig vanskelig å sammenligne mikro-RNA mellom arter.

– Jo lenger opp i dyrerekken du kommer, desto flere mikro-RNA finnes.

Mikro-RNA kan regulere andre gener. Noen kan regulere flere gener, og noen kan gå sammen om å regulere ett gen.

Kombinasjonsmulighetene er enorme.

– Tanken vår er at et økt antall av mikro-RNA øker variasjonen i hvordan genene kan brukes.

Mikro-RNA er tidligere aldri blitt funnet hos de encellete slektningene til dyrene. Sammen med kolleger har Jon Bråte nå funnet de første bevisene på at mikro-RNA også finnes hos en bestemt type encellete fiskeparasitter.

– Det betyr at mikro-RNA heller ikke er unikt for flercellethet.

Mysterium

Som om dette ikke er nok, finnes det også mange lange RNA-tråder i celler. De kalles lncRNA, som står for long non-coding RNA. Trådene kan være opptil mange tusen basepar lange.

– Vi vet bare funksjonen til noen få av dem. De har alle avgjørende funksjoner i cellen, slik som å kontrollere hele kromosomer.

Det er gjort lite forskning på lncRNA, men nå har Jon Bråte studert dem hos svamper og ribbemaneter.

– Vi har klart å avdekke at de sannsynligvis spiller en rolle under kroppsutviklingen hos ribbemaneter og svamper, de to enkleste formene for dyr. Det kan bety at heller ikke lncRNA er forbeholdt avansert liv.

Omvendt av kreft

Den nye forskningen til Jon Bråte er ikke bare av akademisk interesse. Den kan også hjelpe kreftforskerne.

– Kreft kan sees på som det omvendte av flercellethet. En kreftcelle som bryter ut av kroppens fangerskap, vil ikke være med på dette rigide regimet lenger. De vil heller dele seg fritt. Kreftcellen ligner på protister, fordi de kan dele seg så mye de vil. Det betyr at kreftceller reverserer flercelletheten. Overgangen fra encellethet til flercellethet er derfor det motsatte av livet til en kreftcelle, som går fra flercellet til en encellet organisme.

Den nye forskningen på hvordan flercellete organismer ble til, kan derfor øke forståelsen av hvorfor vi får kreft.

Kreftcellen har det samme arvestoffet som alle de andre cellene i kroppen, men det er kontrollen over genene som forsvinner. Spørsmålet er hvorfor kroppen mister kontrollen over disse cellene.

– Vi håper derfor at forskningen vår på miRNA og lncRNA kan hjelpe kreftforskerne videre, forteller Jon Bråte.