Äädikakärbse tiivarakud aitavad mõista arenguhäirete aluspõhjuseid
Keerukate elundite moodustumisel ja kudede arengus mängivad olulist rolli rakkude kuju muutused. Arengubioloogia erialal Tartu Ülikooli doktorikraadi saanud Vi Ngan Tran kirjutas Novaatoris, kuidas ta jälgis uudse metoodikaga vastavaid muutusi reaalajas, kasutades mudelina äädikakärbeste arenevat tiiba.
Elundite arengut võib ette kujutada paberikunsti ehk origamina. „Lihtsast paberilehest keeruka kujuga lillede ja liblikate voltimine nõuab tähelepanu ja ülimat täpsust. Sarnaselt on ka organite alged lihtsa ülesehitusega, kuid arengu käigus kujunevad need mitmesuguste ümberkorralduste ja muutuste tulemusel keerukateks organiteks,“ selgitab Tartu Ülikooli arengubioloogia erialal doktorikraadi kaitsnud Vi Ngan Tran, kes on praegu Helsingi Ülikoolis järeldoktorantuuris.
Just nende muutuste uurimine aitab paremini mõista elundite arengut – millised protsessid on selles tavapärased ja mis võib juhtuda, kui midagi valesti läheb.
Organite arenguprotsessides mängib olulist rolli epiteel – elundite välispinda kattev ja sisepinda vooderdav või ka näärmeid moodustav koetüüp, mille rakud toimivad organite moodustumisel "ehituskividena". Elundi arengu käigus moodustuvad rakud suhtlevad nii üksteisega kui ka aitavad suunata arenguvalikuid. Neist osad jagunevad, teised suunatakse kontrollitud rakusurma ehk apoptoosi, liiguvad piirkondadesse, kus neid vajatakse näiteks organite moodustumisel, või muudavad oma kuju.
Loomade arengus toimuvate rakuprotsesside reaalajas jälgimiseks ning dokumenteerimiseks on vaja hästi toimivat metoodikat ja head mudelsüsteemi. Siinkohal on arengubioloogidele palju kasu toonud äädikakärbsed (Drosophila melanogaster). Needsamad paljude inimeste poolt tüütuks peetavad putukad, kes igal aastal puuviljade küpsemise aegu justkui ei kusagilt välja ilmuvad. Teadlaste huviorbiiti sattusid nad esmalt tänu Ameerika embrüoloogi, evolutsionisti ja geneetiku Thomas Hunt Morgani (1866–1945) töödele.
Uurijatele meeldivad äädikakärbsed mitmel põhjustel. Esiteks on neid lihtne laboritingimustes kasvatada. Peale selle on äädikakärbestel aga ka lühike elutsükkel; moonde läbi teinud täiskasvanud putuka eluiga on keskmiselt kaks kuud, mistõttu sobivad nad hästi geneetilisteks uuringuteks. Organid on äädikakärbestel ülesehituselt mõõduka keerukusega ja suurusega, mis võimaldavad teostada eluskoe uuringuid.
Äädikakärbse tiiva arenemise tagab unikaalne võrgustik
Vi Ngan Tran uuris oma doktoritöös tiivaalge kujunemisel toimuvad muutusi reaalajas. Kolleegidega koos tõi ta esile, et tiivaalges on kaks peaaegu täpselt samasugust vastastikku asetsevat epiteliaalsete rakkude kihti. Mõlemast kujuneb teatud arenguetapis välja dünaamiline membraansete raku väljakasvude võrgustik IPAN (ingl Interplanar Amida Network), mis mängib olulist rolli tiiva koordineeritud kasvu juhtimises.
Tiivaalge arengu hilisemates etappides teeb IPAN-võrgustik läbi dünaamilisi ümberkorraldusi, mille käigus vastakuti paiknevate epiteelirakkude rakk-rakk kontaktid kaotatakse. Huvitava leiuna täheldas Tran kolleegidega, et sellega kaasnevad epiteelirakkude kuju muutused, mis mõjutavad omakorda rakkude jagunemist mõlemas epiteelikihis. Avastus on oluline mõistmaks rakkude kujumuutuste mõju organite vormi tekkele ehk morfogeneesile.
IPAN-i kontrollitud lagunemine. Autor/allikas: Tran jt.
Doktoritöö käigus avastatud IPAN-võrgustiku tähtsus ulatub rakkude jagunemise suunamisest märgatavalt kaugemale. Näiteks kuuluvad IPAN-võrgustikku tunnelilaadsete nanotorudele sarnased väljakasvud, mis võivad vahendada vajalikke ühendeid transportivate vesiikulite, organellide ja võimalike haigustekitajate liikumist rakkude vahel. Need omakorda on olulised erinevate patoloogiate tekkemehhanismide mõistmisel.
Samuti aitab Trani doktoritöös käsitletu heita valgust küsimusele, kuidas toimub rakkudevaheline kommunikatsioon ja infovahetus arenevate kudede vahel, mis on aluseks mitmesuguste arenguhäirete, näiteks neurodegeneratsiooni kujunemise mõistmisel.
Arendades eluskoe biokuvamise metoodikaid ja tehnoloogiaid on võimalik paremini jälile saada nii dünaamiliselt muutuvatele arenguprotsessidele, regulatoorsetele mehhanismidele, kui ka tervisehädadeni viivatele muutustele.
Uudne metoodika
Tänapäeva tehnilised võimalused võimaldavad teadlastel jälgida ja dokumenteerida elusas organismis toimuvaid protsesse ruumilis-ajaliselt, sh rakkude kuju muutuseid. Äädikakärbse arenevas tiivas toimuva uurimiseks kasutas Vi Ngan Tran reaalajas biokuvamist, mille puhul tegi ta fotosid ette määratud ajavahemike tagant.
Video kujutab konfokaalmikroskoopia abil saadud fotot äädikakärbse nuku tiivast, kus on näha epiteelirakkude membraansete väljakasvude tsütoskeleti osiseid – mikrotorukesi (roheline) ja mikrofilamente (fuksiinpunane). Kuvameetodis kasutavad teadlased fokusseeritud laserkiirt ja väikest auku, et pildistada paksus proovis teravalt ainult ühte õhukest kihti ja proovi osa. Neid õhukesi viilakaid saab hiljem arvutis kokku panna, et luua proovist 3D-mudeleid, mis on läbivalt väga teravad ja detailsed. Video lõpus on skemaatiline joonis IPAN-struktuurist.
Teadlased on raku membraanseid väljakasve on tähele pannud juba varemgi, vaadeldes fikseeritud kudesid, kus toimuvad protsessid on nende pildile püüdmise hetkel hetkel peatatud. Teisisõnu pole enam tegemist eluskoega. Struktuuride kujunemist ja muutumist elusas koes jälgides saab nende funktsiooni üle märksa täpsemalt arutleda. Just seda reaalajas biokuvamine võimaldabki.
Vi Ngan Tran kaitses arengubioloogia erialal doktoritöö „The Cellular Dynamics and Epithelial Morphogenesis in Drosophila Wing Development“ („Rakkude dünaamika ja epiteeli morfogenees Drosophila tiiva arengus“) 21. augustil Tartu Ülikoolis. Tööd juhendas arengubioloogia professor Osamu Shimmi Tartu Ülikoolist. Oponeeris doktor Barry Denholm Edinburghi Ülikoolist.
Loe veel sarnaseid uudiseid
