بدنسازی در دوران باستان: شقایق دریایی چگونه پشت خود را به دست آورد؟

یک مطالعه جدید از دانشگاه وین نشان می‌دهد که شقایق‌های دریایی از مکانیسم مولکولی شناخته‌شده در حیوانات دوطرفی برای تشکیل محور پشتی-شکمی بدن خود استفاده می‌کنند. این مکانیسم ("جابه‌جایی BMP") سلول‌ها را قادر می‌سازد تا در طول رشد با تفسیر گرادیان‌های سیگنالی، خود را سازماندهی کنند. یافته‌ها که در Science Advances منتشر شده‌اند، نشان می‌دهند که این سیستم بسیار زودتر از آنچه قبلاً تصور می‌شد تکامل یافته و از قبل در جد مشترک مرجانیان و دوطرفی‌ها وجود داشته است.

بیشتر حیوانات تقارن دوجانبه دارند — یک طرح بدنی با سر و دم، پشت و شکم، و دو طرف چپ و راست. این سازمان‌یافتگی بدنی گروه وسیعی از موجودات معروف به دوطرفی‌ها (Bilateria) را مشخص می‌کند که شامل حیوانات متنوعی مانند مهره‌داران، حشرات، نرم‌تنان و کرم‌ها می‌شود. در مقابل، مرجانیان، مانند عروس دریایی و شقایق‌های دریایی، به طور سنتی به عنوان موجودات با تقارن شعاعی توصیف می‌شوند و عروس‌های دریایی واقعاً چنین هستند. با این حال، وضعیت در شقایق‌های دریایی متفاوت است: با وجود تقارن ظاهری شعاعی، آنها از نظر تقارن دوجانبه هستند – ابتدا در سطح بیان ژن در جنین و سپس از نظر آناتومیکی نیز در بزرگسالی. این موضوع یک سوال بنیادی تکاملی را مطرح می‌کند: آیا تقارن دوجانبه در جد مشترک دوطرفی‌ها و مرجانیان پدید آمده، یا به طور مستقل در چندین دودمان حیوانی تکامل یافته است؟ محققان دانشگاه وین با بررسی این سوال که آیا مکانیسم کلیدی تکوینی به نام جابه‌جایی BMP (Bone Morphogenetic Proteins) از قبل در مرجانیان وجود دارد یا خیر، به این موضوع پرداخته‌اند.

در حیوانات دوطرفی، محور پشتی-شکمی توسط یک سیستم سیگنال‌دهی شامل پروتئین‌های مورفوژنتیک استخوان (BMPs) و بازدارنده آنها کوردین (Chordin) الگوبرداری می‌شود. BMPs به عنوان پیام‌رسان‌های مولکولی عمل می‌کنند و به سلول‌های جنینی می‌گویند که کجا هستند و به چه نوع بافتی تبدیل شوند. در جنین‌های دوطرفی، کوردین به BMPs متصل شده و فعالیت آنها را در فرآیندی به نام "مهار موضعی" مسدود می‌کند. در عین حال، در برخی اما نه همه مدل‌های جنینی دوطرفی، کوردین می‌تواند BMPهای متصل‌شده را به نواحی دیگر جنین منتقل کند، جایی که دوباره آزاد می‌شوند – مکانیزمی که به عنوان "جابه‌جایی BMP" شناخته می‌شود. حیوانات از نظر تکاملی دور از هم مانند توتیای دریایی، مگس‌ها و قورباغه‌ها از جابه‌جایی BMP استفاده می‌کنند؛ با این حال، تا کنون مشخص نبود که آیا همه آنها جابه‌جایی را به طور مستقل تکامل داده‌اند یا آن را از آخرین جد مشترک خود در حدود ۶۰۰ میلیون سال پیش به ارث برده‌اند. هم مهار موضعی و هم جابه‌جایی BMP، گرادیانی از فعالیت BMP در سراسر جنین ایجاد می‌کنند. سلول‌ها در جنین اولیه این گرادیان را تشخیص داده و بسته به سطوح BMP سرنوشت‌های متفاوتی را می‌پذیرند. به عنوان مثال، در مهره‌داران، سیستم عصبی مرکزی در جایی که سیگنال‌دهی BMP کمترین است تشکیل می‌شود، کلیه‌ها در سطوح متوسط سیگنال‌دهی BMP رشد می‌کنند و پوست شکم در ناحیه حداکثر سیگنال‌دهی BMP تشکیل خواهد شد. به این ترتیب، طرح کلی بدن از پشت به شکم ایجاد می‌شود. برای اینکه مشخص شود آیا جابه‌جایی BMP توسط کوردین یک مکانیسم اجدادی برای الگوبرداری محور پشتی به شکم است یا خیر، محققان مجبور بودند به حیوانات با تقارن دوجانبه خارج از گروه دوطرفی‌ها – یعنی شقایق‌های دریایی – نگاه کنند.

برای آزمایش اینکه آیا شقایق‌های دریایی از کوردین به عنوان یک بازدارنده موضعی یا یک شاتل (جابه‌جا کننده) استفاده می‌کنند، محققان ابتدا تولید کوردین را در جنین‌های شقایق دریایی Nematostella vectensis (گونه مدل) مسدود کردند. در Nematostella، برخلاف دوطرفی‌ها، سیگنال‌دهی BMP به حضور کوردین نیاز دارد، بنابراین، بدون کوردین، سیگنال‌دهی BMP متوقف شد و تشکیل محور دوم بدن با شکست مواجه شد. سپس کوردین به بخش کوچکی از جنین دوباره وارد شد تا مشخص شود آیا می‌تواند تشکیل محور را بازگرداند یا خیر. سیگنال‌دهی BMP از سر گرفته شد – اما مشخص نبود که آیا این اتفاق به دلیل این بود که کوردین صرفاً BMPها را به صورت موضعی مسدود کرده و اجازه داده بود گرادیانی از منابع موجود BMP تشکیل شود، یا به این دلیل که به طور فعال BMPها را به بخش‌های دورتر جنین منتقل کرده و گرادیان را به طور مستقیم‌تر شکل داده بود. برای پاسخ به این سوال، دو نسخه از کوردین آزمایش شد – یکی متصل به غشاء و ثابت، و دیگری قابل انتشار. اگر کوردین به عنوان یک بازدارنده موضعی عمل می‌کرد، هم کوردین ثابت و هم کوردین قابل انتشار سیگنال‌دهی BMP را در سمتی از جنین که مخالف سلول‌های تولیدکننده کوردین بود، بازگردانی می‌کردند. با این حال، تنها کوردین قابل انتشار می‌تواند به عنوان یک شاتل BMP عمل کند. نتایج واضح بود: تنها شکل قابل انتشار توانست سیگنال‌دهی BMP را در فاصله دور از منبع خود بازگرداند، که نشان می‌دهد کوردین در شقایق‌های دریایی – دقیقاً مانند مگس‌ها و قورباغه‌ها – به عنوان یک شاتل BMP عمل می‌کند.

حضور جابه‌جایی BMP در هر دو گروه مرجانیان و دوطرفی‌ها نشان می‌دهد که این مکانیسم مولکولی قدمتی پیش از واگرایی تکاملی آنها در حدود ۶۰۰ تا ۷۰۰ میلیون سال پیش دارد. دیوید مورسدورف، نویسنده اول مطالعه و پژوهشگر فوق‌دکترا در دپارتمان علوم اعصاب و زیست‌شناسی تکوینی در دانشگاه وین، می‌گوید: "همه دوطرفی‌ها از جابه‌جایی BMP با واسطه کوردین استفاده نمی‌کنند؛ به عنوان مثال، قورباغه‌ها از آن استفاده می‌کنند، اما ماهی‌ها نه. با این حال، به نظر می‌رسد جابه‌جایی بارها و بارها در حیوانات بسیار دور از هم پدیدار می‌شود که این امر آن را به یک کاندیدای خوب برای یک مکانیسم الگوبرداری اجدادی تبدیل می‌کند. این واقعیت که نه تنها دوطرفی‌ها بلکه شقایق‌های دریایی نیز از جابه‌جایی برای شکل‌دهی محورهای بدن خود استفاده می‌کنند، به ما می‌گوید که این مکانیسم به طرز باورنکردنی قدیمی است." او اضافه می‌کند: "این موضوع امکانات هیجان‌انگیزی را برای بازاندیشی در مورد چگونگی تکامل طرح‌های بدن در حیوانات اولیه فراهم می‌کند."

گریگوری گنیکوویچ، نویسنده ارشد و رهبر گروه در همان دپارتمان، می‌افزاید: "ممکن است هرگز نتوانیم این احتمال را که دوطرفی‌ها و مرجانیان با تقارن دوجانبه، طرح‌های بدنی دوجانبه خود را به طور مستقل تکامل داده‌اند، رد کنیم. با این حال، اگر آخرین جد مشترک مرجانیان و دوطرفی‌ها یک حیوان با تقارن دوجانبه بوده باشد، به احتمال زیاد از کوردین برای جابه‌جایی BMPها برای ساخت محور پشتی-شکمی خود استفاده کرده است. مطالعه جدید ما این را نشان داد."

(این مطالعه توسط صندوق علوم اتریش (FWF)، با کمک‌هزینه‌های P32705 و M3291 حمایت شد.)

ژورنال

Science Advances

شناسه دیجیتال (DOI)

10.1126/sciadv.adu6347

عنوان مقاله

جابه‌جایی BMP با واسطه کوردین، محور ثانویه بدن را در یک مرجانی الگوبرداری می‌کند.

تاریخ انتشار مقاله

۱۳ ژوئن ۲۰۲۵