BAMGEN

Sažetak

Projekti velikih razmjera koji uključuju metode -omike priskrbili su veliku količinu znanja o molekularnim mehanizmima u stanicama i tkivima ljudi i modelnih organizama, te pružili mnoštvo informacija o raznolikosti staničnih procesa, poglavito genske regulacije. Ti su projekti ujedno razotkrili neizmjernu kompleksnost životinjske stanice, potencijal za diferencijaciju u stanice različitih tkiva, gubitak kontrole pri nastajanju raka, te time potakli niz dubljih pitanja na različitim područjima znanosti o životu: Kako funkcionira diferencijacija u specifične stanice tkiva? Koliko su mehanizmi genske regulacije očuvani kroz životinjsko carstvo? Odakle potječe kompleksnost procesa diferencijacije? I, konačno, koje je porijeklo višestaničnosti? Bazalne životinje (Metazoa), ključne su za odgovore na ova pitanja: mi na njih namjeravamo odgovoriti proučavanjem ne-modelnih organizama na samom dnu životinjskog evolucijskog stabla - najjednostavnijim višestaničnim životinjama - spužvama (Porifera). Spužve su najstarije danas živuće životinje koje su se vjerojatno najranije odvojile na razvojnom stablu životinja, te posjeduju neka izvanredna svojstva koja ih čine idealnim modelom za istraživanja regulacije gena uključenih u razvoj: u bliskoj su simbozi s jednostaničnim prokariotima, sadrže mali broj osnovnih tipova stanica, nemaju pravih tkiva, organa ni zametnih listića, a istovremeno posjeduju mnoge gene uključene u rani razvoj i povezane s nastankom raka, kao i totipotentne stanice. Metodama komparativne genomike i transkriptomike, htjeli bismo istražiti procese unutar simbioze, kao i procese razvoja i diferencijacije stanica za koje vjerujemo da su naslijedile sve višestanične životinje.

Pomoću čvrste mreže suradnika, stručnjaka u području biologije Metazoa s iskustvom u metodama genomike i računalne biologije kompleksnih sustava, te preliminarnim setom zanimljivih rezultata, namjeravamo odgovoriti na prethodno postavljena pitanja i interdisciplinarnim pristupom razjasniti neka od ključnih otvorenih pitanja na području genomike i evolucije čitavog životinjskog carstva.

Dio A:
Dosadašnje spoznaje

Sve životinje (Metazoa) koje danas nastanjuju Zemlju imaju ključnu zajedničku karakteristiku – posjeduju različite tipove stanica, obično grupirane u tkiva i organe, specijalizirane za određene funkcije potrebne za održavanje i širenje potomstva. Različiti tipovi stanica istog organizma imaju isti genetski program smješten u jezgri svake stanice. Razlike među stanicama te posljedično tkivima, temelje se na procesu diferencijacije stanica prilikom razvoja organizma. Tijekom faze razvoja, stanice nastaju diobom jedne stanice, zigote. Pritom nastale nediferencirane (matične) stanice još nerazjašnjenim procesom aktiviraju mehanizme regulacije gena pomoću kojih će se s vremenom razviti u specifične diferencirane stanice. Taj je proces uglavnom ireverzibilan pa stanice ostaju u diferenciranoj fazi do svoje smrti ili inaktivacije.
Procesi regulacije gena uključenih u razvoj i diferencijaciju već su neko vrijeme u žarištu znanstvenih istraživanja koja su dovela do pronalaska ključnih gena odgovornih za kontrolu diferencijacije pluripotentnih stanica u specijalizirane stanice tkiva. Ta su istraživanja provedena na “klasičnim” modelima kralježnjaka, kukaca i oblića, no još uvijek nije postignut mehanistički uvid u procese koji usmjeravaju diferencijaciju stanice na nivou kompletnog staničnog sustava, djelomično i zbog kompleksnosti eksperimentalnih modela. Organizam kralješnjaka posjeduje nekoliko stotina zasebnih, visokospecijaliziranih tipova stanica, a svaki tip prolazi kroz kompleksnu preobrazbu koja uključuje velik broj gena i složen regulacijski sklop. Obzirom na takvu kompleksnost procesa unutar genoma kralježnjaka, postavljamo pitanje bi li bilo moguće proučavati diferencijaciju stanica i procese genske regulacije na jednostavnijem modelu koji posjeduje manju raznolikost tipova stanica, prvenstveno u kontekstu obrnutog odnosa između broja staničnih tipova i njihove specijalizacije unutar organizma[3]. Kako bismo uistinu razjasnili samu osnovu procesa koji upravljaju višestaničnim razvojem i diferencijacijom, smatramo da treba posegnuti dublje ka osnovi višestaničnog života te istraživati mehanizme ukorijenjene u posljednjem poznatom pretku životinja. S tom idejom, za istraživanje razvojnih procesa unutar genoma predlažemo modelni organizam koji je smješten na samoj bazi višestaničnog drva života – spužvu (Porifera).

Dio B:
Svrha i specifični ciljevi predloženog istraživanja

Svrha našeg prijedloga jest sustavno istražiti osnovu razvojne linije Metazoa, korištenjem metodologija –omike. Isključivo potpunim razumijevanjem procesa koji usmjeravaju razvoj višestaničnosti, moći ćemo oblikovati neke temeljne spoznaje o diferencijaciji i razvoju. Stoga namjeravamo a) sakupiti znatnu količinu informacija o genomima minimalno triju razreda spužvi – kremenorožnjača, vapnenjača i staklača; b) pomoću metoda transkriptomike istražiti procese diferencijacije spužvi te razotkriti funkciju gena uključenih u taj proces, te c) zabilježiti moguće interakcije spužvi i njihovih simbionata kroz analizu prokariotskih sekvenci dobivenih sekvenciranjem genoma spužvi metodama sekvenciranja visoke protočnosti.

Naši su specifični ciljevi u domeni sistemske biologije te imaju snažan interdisciplinarni karakter, budući da zahtijevaju komplementarne vještine u bazalnoj biologiji životinja, suvremene pristupe metodama –omike, sekvenciranja nove generacije i sastavljanja genoma, kao i korištenje metoda računalne biologije za povezivanje podataka i izdvajanje spoznaja. Stoga smo sastavili čvrstu podršku suradnika koji su još otprije posvećeni razrješenju evolucije i razvoja bazalnih Metazoa, a koji će doprinijeti sinergističkom učinku ovog projekta te time osigurati njegov uspjeh.

Značaj predloženog projekta

Ovaj projekt obuhvaća visokoproduktivan sistemski biološki pristup ka razrješenju bazalne evolucija životinja, njihova razvoja i diferencijacije. U najuspješnijem slučaju, omogućit će nam pronalazak odgovora na mnoga temeljna pitanja o organizaciji višestaničnog života u životinja te upoznavanje gena i puteva diferencijacije prvotnih životinja odgovornih za usmjeravanje stanice na putu ka specijalizaciji, ili pak povratku u fazu pluripotencije. Pomoći će nam objasniti funkciju gena, od kojih su mnogi poznati samo po svojoj povezanosti s metaboličkim i osjetilnim procesima na višim razvojnim nivoima, dok je njihova primarna funkcija u stanicama jednostavnijih sustava kao što su spužve još uvijek potpuno nerazjašnjena. Čak i sama količina analiziranih i anotiranih genomskih podataka o bazalnim životinjama sami po sebi daju prijeko potreban doprinos razrješenju nekih od dugopostojećih rasprava o bazalnoj filogeniji Metazoa.

Suradnici i istraživačka skupina