همانطور که به نظر می رسد مردم در مکان های مختلف با ریتم های متفاوتی عمل می کنند، گونه های مختلف نیز این کار را انجام می دهند. آنها با سرعت خاص خود پیر می شوند: برخی مانند مگس میوه تا بزرگسالی مسابقه می دهند تا بتوانند قبل از ناپدید شدن منبع غذایی زودگذر خود تولید مثل کنند، در حالی که موجوداتی مانند انسان به آرامی در طول دهه ها بالغ می شوند، تا حدی به این دلیل که ساختن یک مغز بزرگ و پیچیده به آن نیاز دارد. و در همان ابتدای زندگی جنین، تغییرات کوچکی در زمان و چگونگی رشد بافت‌های مختلف می‌تواند به طرز چشمگیری شکل یک موجود زنده را تغییر دهد - مکانیزمی که تکامل برای ایجاد گونه‌های جدید از آن بهره می‌برد. با این حال، اینکه چه چیزی سرعت رشد یک ارگانیسم را تعیین می کند، همچنان یک راز باقی مانده است.

"دانش ما در مورد آنچه زمان‌بندی رشد را کنترل می‌کند واقعاً از سایر زمینه‌ها در زیست‌شناسی رشد عقب مانده است." مارگارت دیاز کوادروس، که تحقیقات متمرکز بر سرعت رشد را در بیمارستان عمومی ماساچوست در بوستون رهبری می کند.

زیست شناسان رشد در شناسایی موفقیت فوق العاده ای داشته اند شبکه های ژن های تنظیم کننده که با یکدیگر صحبت می کنند - سیستم های آبشاری حلقه های بازخوردی که ژن ها را دقیقاً در زمان و مکان مناسب برای ساختن یک چشم یا پا روشن یا خاموش می کنند. اما شباهت بسیار حفاظت‌شده در این شبکه‌های ژنی در میان گونه‌ها با تفاوت‌های بزرگ در زمان‌بندی رشد در تضاد است. به عنوان مثال، موش ها و انسان ها از مجموعه ژن های مشابهی برای ایجاد نورون ها و ساختن ستون فقرات استفاده می کنند. با این حال، مغز و ستون فقرات موش کاملاً متفاوت از مغز انسان است، زیرا زمان‌بندی زمانی که آن ژن‌ها فعال هستند متفاوت است، و مشخص نیست که چرا اینطور است.

به نظر نمی رسد تنظیم ژن همه چیز را در مورد زمان بندی رشد توضیح دهد پیر واندرهایگن، که تکامل و رشد مغز را در KU Leuven در بلژیک مطالعه می کند. اکنون، این کمی تحریک آمیز است، زیرا به نوعی، در زیست شناسی، همه چیز باید با تنظیم ژن، مستقیم یا غیرمستقیم توضیح داده شود.

از نوآوری ها - مانند پیشرفت در کشت سلول های بنیادی و در دسترس بودن ابزارهایی برای دستکاری متابولیسم، که در ابتدا برای مطالعه سرطان توسعه یافته بود - توضیح جدیدی برای آنچه که زندگی را تسکین می دهد در حال ظهور است - که اکنون به محققان اجازه می دهد تا سرعت توسعه اولیه را ترسیم کنند و با آنها بازی کنند. جنین ها و بافت ها با جزئیات بیشتر. در یک رشته از مقالات در چند سال گذشته، از جمله یک نشریه کلیدی در ماه ژوئن، چندین تیم تحقیقاتی به طور مستقل در مورد ارتباطات جالب بین سرعت رشد، سرعت واکنش‌های بیوشیمیایی و نرخ متابولیک کلی یک موجود زنده همگرا شدند.

یافته‌های آن‌ها به یک مترونوم مشترک اشاره می‌کند: میتوکندری، که ممکن است نگهدارنده زمان سلول باشد، و ریتم انواع فرآیندهای رشدی و بیوشیمیایی را تنظیم می‌کند که زندگی را ایجاد و حفظ می‌کند.

یک نورون زمان را نگه می دارد

بیش از یک دهه پیش، Vanderhaeghen آزمایشی انجام داد که پایه و اساس مطالعات مدرن در مورد چگونگی حفظ سرعت رشد را ایجاد کرد. عصب شناس وارد شد آزمایشگاه بلژیکی او رشد سلول های بنیادی در ظروف پتری و مشاهده مدت زمان بلوغ آنها از لوح های خالی سلولی به نورون های تمام عیار که با دیگران ارتباط برقرار می کنند و با آنها ارتباط برقرار می کنند. او فکر کرد که می‌تواند با مقایسه سلول‌های بنیادی موش و انسان که در ابتدا به نورون تبدیل می‌شوند، سرنخ‌هایی از منشا و تکامل مغز انسان پیدا کند.

اولین چیزی که او متوجه شد این بود که سلول‌های بنیادی موش در حدود یک هفته به سلول‌های مغز بالغ تمایز می‌یابند - سریع‌تر از سلول‌های بنیادی انسان، که رشد آنها در طول سه تا چهار ماه طول می‌کشد.

اما آیا این سلول‌ها در یک مغز در حال رشد به‌جای یک ظرف جدا شده به همان شکل رشد می‌کنند؟ برای کشف این موضوع، او یک نورون موش را به مغز موش زنده پیوند زد. سلول از همان جدول زمانی نورون‌های موش میزبان پیروی کرد و پس از حدود یک هفته تمایز یافت. سپس همان کار را با یک نورون انسانی آزمایش کرد و آن را در مغز موش کاشت. در کمال تعجب او، نورون انسان زمان خود را حفظ کرد. نزدیک به یک سال طول کشید تا با وجود محیط جونده‌ای آن بالغ شود.

Vanderhaeghen گفت: «این اولین پاسخ مهم را به ما داد، و آن این بود که مکانیسم زمان‌بندی هرچه باشد، به نظر می‌رسد بسیاری از آن در خود نورون‌ها باشد. حتی اگر سلول‌ها را از ظرف پتری خارج کنید و در ارگانیسم دیگری قرار دهید، باز هم جدول زمانی خود را حفظ می‌کنند.

با این حال، تا چند سال پیش تقریباً هیچ چیز در مورد مکانیسم سلولی زیرین شناخته نشده بود.

Vanderhaeghen شروع کرد به فکر کردن در مورد اینکه بلوک های سازنده یک نورون از کجا می آیند. او گفت: «ساخت نورون‌ها مانند ساختن یک ساختمان فوق‌العاده پیچیده است. "شما به تدارکات خوب نیاز دارید." سلول ها نه تنها به انرژی بلکه به منبعی از مواد خام برای رشد و تقسیم نیاز دارند.

او مشکوک بود که میتوکندری ممکن است این بلوک های ساختمانی را فراهم کند. اندامک ها کلید رشد و متابولیسم سلول هستند. آنها انرژی تولید می کنند و به آنها لقب «نیروگاه سلول» را می دهند و همچنین متابولیت های ضروری برای ساخت اسیدهای آمینه و نوکلئوتیدها و تنظیم بیان ژن را تولید می کنند.

دیدگاه کلاسیک میتوکندری این است که آنها در طول عمر سلول تغییر نمی کنند. Vanderhaeghen گفت: "آنها فقط یک سوسیس زیبا و زیبا در سلول هستند و انرژی می دهند." اما زمانی که او و ریوهی ایواتایک محقق فوق دکترا در آزمایشگاه خود، با دقت بیشتری به نورون های در حال رشد نگاه کرد، آنها دیدند که میتوکندری ها نیز به زمان نیاز دارند تا رشد کنند.

آنها گزارش دادند که نورون های جوان علم، میتوکندری کمی داشتند و آنهایی که داشتند تکه تکه شده بودند و انرژی کمی تولید می کردند. سپس، همانطور که نورون ها بالغ شدند، میتوکندری ها از نظر تعداد، اندازه و فعالیت متابولیکی رشد کردند. علاوه بر این، این تغییرات در موش‌ها سریع‌تر از انسان اتفاق افتاد. اساساً، سیستم مقیاس‌بندی شد: بلوغ میتوکندری‌ها با بلوغ نورون‌ها در هر دو گونه هماهنگ می‌ماند.

این کشف اهمیت واندرهایگن و ایواتا را جلب کرد. و آن‌ها را به این فکر واداشت که آیا میتوکندری می‌تواند صدای آرامی باشد که باعث تفاوت‌های گسترده در سرعت رشد در میان گونه‌ها می‌شود.

چگونه ستون فقرات را رشد دهیم

یکی از مدل های کلاسیک برای مطالعه سرعت رشد جنینی، الگوبرداری از ستون فقرات است. همه مهره داران دارای ستون فقرات هستند که از رشته ای از بخش های مهره ای تشکیل شده است، اما گونه ها از نظر تعداد و اندازه متفاوت هستند. بنابراین یک سوال طبیعی در مورد مکانیسم های رشدی که باعث ایجاد این ویژگی ضروری مهره داران و تغییرات بسیار آن در سراسر قلمرو حیوانات می شود، مطرح می شود.

در سال 1997، زیست شناس رشد اولیویه پورکیهاکنون در دانشکده پزشکی هاروارد، ابتدا یک نوسانگر مولکولی به نام ساعت تقسیم‌بندی را کشف کرد که مکانیسمی را که ستون فقرات مهره‌داران را الگوبرداری می‌کند، هدایت می‌کند. تیم تحقیقاتی او با کار بر روی جنین مرغ، بازیکنان کلیدی را شناسایی کردند که به طور ریتمیک در طول تشکیل هر بخش مهره‌ای در بافت جنینی بیان می‌شوند. ساعت تقسیم‌بندی نوسانات بیان ژن را تحریک می‌کند و باعث می‌شود سلول‌ها در پاسخگویی به سیگنال جبهه موجی که از سر به دم حرکت می‌کند، نوسان کنند. هنگامی که جبهه موج با سلول های پاسخگو مواجه می شود، یک قطعه تشکیل می شود. به این ترتیب، مکانیسم ساعت و موج، سازماندهی دوره ای ستون فقرات را کنترل می کند.

ژن هایی که ساعت تقسیم بندی را تنظیم می کنند در بین گونه ها حفظ می شوند. با این حال، دوره ساعت - زمان بین دو قله در یک نوسان - نیست. برای سال‌های متمادی، ژنتیک‌دانان رشدی در توضیح این موضوع ناامید بودند: آنها ابزار ژنتیکی برای دستکاری دقیق ساعت در یک جنین در حال رشد را نداشتند. بنابراین، در حدود سال 2008، پورکیه شروع به توسعه روش هایی برای تشریح بهتر مکانیسم در آزمایشگاه کرد.

او گفت در آن زمان، "به نظر کاملا علمی تخیلی بود." اما این ایده در دهه بعد قابل قبول تر شد، زیرا آزمایشگاه پورکیه و دیگران در سراسر جهان کشت سلول های بنیادی جنینی و حتی ارگانوئید بسازید - مانند شبکیه، روده یا مینی مغز - در یک ظرف.

پورکیه و دیاز کوادروس که در آن زمان دانشجوی فارغ التحصیل او بود، راهی برای بازتولید ساعت در سلول های بنیادی موش و انسان پیدا کردند. در آزمایش‌های اولیه، آن‌ها مشاهده کردند که دوره ساعت در موش‌ها حدود دو ساعت طول می‌کشد، در حالی که تکمیل نوسان در سلول‌های انسانی حدود پنج ساعت طول می‌کشد. این اولین باری بود که کسی دوره تقسیم بندی ساعت را در انسان شناسایی می کرد.

آزمایشگاه‌های دیگر نیز پتانسیل این پیشرفت‌ها را در زیست‌شناسی سلول‌های بنیادی برای مقابله با پرسش‌های دیرینه درباره زمان‌بندی رشد مشاهده کردند. در سال 2020، دو گروه تحقیقاتی - یکی به رهبری میکی ابیسویا در آزمایشگاه بیولوژی مولکولی اروپا در بارسلونا و دیگری توسط جیمز بریسکو در موسسه فرانسیس کریک در لندن - به طور مستقل کشف کرد که فرآیندهای مولکولی اساسی در سلول با سرعت رشد ادامه می‌یابند. مطالعاتی را منتشر کردند طرف by طرف in علم.

تیم Ebisuya می‌خواست تفاوت‌ها را در سرعت واکنش‌های مولکولی - بیان ژن و تخریب پروتئین - که هر چرخه ساعت را هدایت می‌کند، درک کنند. آنها دریافتند که هر دو فرآیند در سلول‌های موش دو برابر سریع‌تر از سلول‌های انسان کار می‌کنند.

بریسکو در عوض به رشد اولیه نخاع نگاه کرد. مانند چرخه ساعت تقسیم‌بندی، فرآیند تمایز نورون - از جمله بیان توالی‌های ژنی و تجزیه پروتئین‌ها - در انسان‌ها نسبت به موش‌ها به طور متناسبی کشیده شد. بریسکو گفت: «دو تا سه برابر بیشتر طول می‌کشد تا با استفاده از سلول‌های بنیادی جنینی انسان به همان مرحله رشد برسیم.

انگار داخل هر سلول، مترونومی در حال دور شدن بود. با هر نوسان آونگ، انواع فرآیندهای سلولی - بیان ژن، تخریب پروتئین، تمایز سلولی و رشد جنینی - همگی به سرعت ادامه می‌یابند و به موقع ادامه می‌یابند.

اما آیا این یک قانون کلی برای همه مهره داران، فراتر از موش و انسان بود؟ برای پیدا کردن، دانشجوی کارشناسی ارشد Ebisuya خورخه لازارو یک "باغ وحش سلول های بنیادی" را ایجاد کرد که خانه سلول های انواع پستانداران: موش، خرگوش، گاو، کرگدن، انسان و مرموست. هنگامی که او ساعت تقسیم بندی هر گونه را بازتولید کرد، دید که سرعت واکنش های بیوشیمیایی با دوره ساعت تقسیم بندی در هر گونه هماهنگ است.

علاوه بر این، سرعت ساعت با اندازه حیوانات در مقیاس نیست. سلول‌های کرگدن سریع‌تر از سلول‌های انسان نوسان می‌کردند، در حالی که سلول‌های مارموست کندترین نوسان را داشتند، حتی از سلول‌های موش کندتر.

یافته ها، منتشر شده در سلول بنیادی سلول در ژوئن، پیشنهاد کرد که سرعت واکنش‌های بیوشیمیایی می‌تواند مکانیزم جهانی برای تنظیم زمان رشد باشد.

آنها همچنین مرزهای یک جنبه مهم اما نادیده گرفته شده از جزم اصلی زیست شناسی مولکولی را تغییر دادند. دیاز کوادروس گفت: «ما در مورد رونویسی، ترجمه و پایداری پروتئین صحبت می کنیم. همه فکر می کردند که آنها در همه گونه های پستانداران یا مهره داران یکسان هستند، "اما اکنون آنچه ما می گوییم این است که سرعت جزم مرکزی مختص گونه است، و من فکر می کنم که بسیار جذاب است."

پروتئین بسازید یا بشکنید

بنابراین، ساعت باید از مکانیزمی نشات بگیرد که سرعت واکنش‌های بیوشیمیایی را در بین گونه‌ها تعیین می‌کند. ترزا ریون زمانی که او می خواست ریشه آن را کشف کند مشاهده تمایز نورون های حرکتی در آزمایشگاه لندن، جایی که زیر نظر بریسکو تحصیل کرد.

او به طور ژنتیکی سلول‌های عصبی موش و انسان را برای بیان پروتئین فلورسنت که با لیزر در طول موج مناسب می‌درخشد، مهندسی ژنتیکی کرد. سپس پروتئین های معرفی شده را در حین تجزیه مشاهده کرد. در کمال تعجب، همان پروتئین‌های فلورسنت در سلول‌های موش سریع‌تر از سلول‌های انسانی از هم جدا شدند و زمان رشد نورون‌ها را حفظ کردند. این به او نشان داد که چیزی در محیط درون سلولی سرعت تخریب را تعیین می کند.

اگر بخواهید از یک زیست شناس بپرسید، چگونه پایداری یک پروتئین را تعیین می کنید؟ آنها به شما می گویند که این به دنباله است. با این حال، ما متوجه شدیم که در واقع اینطور نیست. ما فکر می کنیم که ممکن است این ماشین آلات باشد که پروتئین ها را تخریب می کند که ممکن است نقش داشته باشد.

اما او و گروهش فقط به دنبال یک نوع سلول بودند. اگر انواع سلول ها در بافت های مختلف با سرعت های متفاوتی رشد کنند، آیا پروتئین های آنها نیز با سرعت های متفاوتی تجزیه می شوند؟

مایکل دوریتی در آزمایشگاه زیست شناسی مولکولی اروپا در هایدلبرگ با فکر کردن در مورد اینکه چگونه دما بر رشد تأثیر می گذارد به این سؤال می پرداخت. بسیاری از حیوانات، از حشرات گرفته تا ماهی، زمانی که در دماهای بالاتر پرورش می یابند، سریعتر رشد می کنند. به طرز جالبی، او مشاهده کرد که در جنین‌های ماهی گورخری که در یک محیط گرم پرورش یافته‌اند، سرعت رشد برخی از انواع سلول‌ها سریع‌تر از سایرین است.

In یک پیش چاپ او سال گذشته پست کرد، او توضیحی در مورد ماشین آلات تولید و تجزیه پروتئین ها ارائه کرد. برخی از انواع سلول ها به حجم بیشتر یا پروتئین های پیچیده تری نسبت به بقیه نیاز دارند. او گفت که در نتیجه، برخی از انواع سلول ها به طور مزمن "مکانیسم های کنترل کیفیت پروتئین را تحت تاثیر قرار می دهند." وقتی دما افزایش می‌یابد، آن‌ها ظرفیت این را ندارند که با نیازهای بالاتر پروتئین هماهنگ شوند و بنابراین ساعت داخلی آن‌ها نمی‌تواند سرعت و سرعت خود را حفظ کند.

از این نظر، موجودات یک ساعت یکپارچه را حفظ نمی کنند، بلکه دارای ساعت های زیادی برای بسیاری از بافت ها و انواع سلول ها هستند. از نظر تکاملی، این یک اشکال نیست، بلکه یک ویژگی است: وقتی بافت‌ها با یکدیگر هماهنگ نیستند، اعضای بدن می‌توانند با سرعت‌های متفاوتی رشد کنند - که می‌تواند منجر به تکامل ارگانیسم‌های مختلف یا حتی گونه‌های جدید شود.

گویی آنها دستگیره تنظیم مترونوم داخلی سلول را کشف کرده بودند که به آنها اجازه می داد سرعت رشد جنینی را تسریع یا کاهش دهند. پورکیه می‌گوید: «این تفاوت‌ها در ساختار تنظیم‌کننده ژن نیست که این تفاوت‌ها را در زمان‌بندی توضیح می‌دهد. یافته ها بودند منتشر شده در طبیعت در اوایل سال جاری.

این دستگیره تنظیم متابولیک به جنین در حال رشد محدود نمی شد. در همین حال، ایواتا و وندرهاگن متوجه شدند که چگونه از داروها و ژنتیک برای بازی با سرعت متابولیک سلول‌های عصبی در حال رشد استفاده کنند - فرآیندی که برخلاف ساعت تقسیم‌بندی که فقط چند روز کار می‌کند، هفته‌ها یا ماه‌ها طول می‌کشد. وقتی نورون‌های موش مجبور شدند آهسته‌تر انرژی تولید کنند، نورون‌ها نیز کندتر بالغ می‌شوند. برعکس، با تغییر فارماکولوژیک نورون‌های انسانی به سمت مسیری سریع‌تر، محققان می‌توانند بلوغ آنها را تسریع کنند. یافته ها بودند منتشر شده در علم در ماه ژانویه.

برای Vanderhaeghen، نتیجه آزمایش‌های آنها واضح است: «نرخ متابولیک زمان‌بندی رشد را هدایت می‌کند».

با این حال، حتی اگر متابولیسم تنظیم کننده بالادست سایر فرآیندهای سلولی باشد، این تفاوت ها باید به تنظیم ژنتیکی بازگردد. این امکان وجود دارد که میتوکندری ها بر زمان بیان ژن های تکوینی یا آن هایی که در ماشین آلات ساخت، نگهداری و بازیافت پروتئین ها دخیل هستند، تأثیر بگذارند.

Vanderhaeghen حدس می‌زند که یک احتمال این است که متابولیت‌های میتوکندری برای فرآیند متراکم یا گسترش DNA چین خورده در ژنوم ضروری هستند تا بتوان آن را برای ساخت پروتئین رونویسی کرد. او پیشنهاد کرد که شاید آن متابولیت ها سرعت رونویسی را محدود می کنند و در سطح جهانی سرعت روشن و خاموش شدن شبکه های تنظیم کننده ژن را تعیین می کنند. با این حال، این تنها یک ایده است که نیاز به باز کردن آزمایشی دارد.

همچنین این سوال وجود دارد که در وهله اول چه چیزی باعث تیک خوردن میتوکندری می شود. دیاز کوادروس فکر می کند که پاسخ باید در DNA نهفته باشد: "جایی در ژنوم آنها، باید یک تفاوت توالی بین موش و انسان وجود داشته باشد که این تفاوت در سرعت رشد را رمزگذاری می کند."

او گفت: «ما هنوز نمی دانیم که این تفاوت کجاست. ما متاسفانه هنوز خیلی با آن فاصله داریم.»

یافتن این پاسخ ممکن است زمان ببرد و مانند ساعت میتوکندریایی، پیشرفت علمی با سرعتی خاص پیش می‌رود.