Większość z nas uczyła się w szkole, że istnieją trzy rodzaje żyjących ssaków – euterydy, marsupiale i monotremy – i że najbardziej oczywiste różnice między nimi dotyczą sposobu rozmnażania. Ssaki euterykalne lub „łożyskowe”, takie jak ludzie, stanowią zdecydowaną większość dzisiejszej różnorodności ssaków. Wszystkie euterydy mają łożysko kosmówkowe, niezwykły organ, który tworzy się po zapłodnieniu w miejscu, w którym zarodek styka się z wyściółką macicy matki (Langer, 2008).
Marsupiale i monotremy inaczej radzą sobie z ciążą (Abbot i Rokas, 2017; Renfree, 2010). Składające jaja monotremy, takie jak platfus kaczodzioby, mają maleńkie „puggles”, które wykluwają się ze skórzastych skorupek. Marsupiale – kangury, koale, bandicoots, oposy i tak dalej – rodzą żywo, ale ich ciąża trwa krótko, a malutkie młode są rozwojowo niedojrzałe i wydaje się, że łożysko nie jest im potrzebne. Po urodzeniu, młode nadal rozwijają się poza ciałem matki, często w fałdach i woreczkach na brzuchu matki.
W marsupialach, mleko dostarczane przez matkę po urodzeniu jest kluczowe dla rozwoju potomstwa i, w przeciwieństwie do ssaków eutherian, skład tego mleka zmienia się dramatycznie, gdy młode młode rosną. W istocie, gruczoły mleczne torbaczy pełnią wiele funkcji łożyska eutherian (Renfree, 2010; Sharp et al., 2017; Ryc. 1). A żeby jeszcze bardziej podważyć to, czego być może nauczyliście się na lekcjach biologii, marsupiale mimo wszystko mają łożysko, ale rozwija się ono późno w ciąży i z innych tkanek niż u eutherianów. Tak więc różnica między euteryjskimi ssakami a marsupialami nie polega na obecności lub braku łożyska, ale raczej na względnym nacisku położonym na łożysko i laktację, aby pielęgnować potomstwo poprzez rozwój.
Różne strategie rozrodcze ssaków eutroficznych i ssaków z rodziny marsupialnych.
W eutrofiach energia zainwestowana przez matkę w wychowanie młodych przed urodzeniem (przez łożysko) i po urodzeniu (przez laktację) jest mniej więcej równa. U marsupali ciąża jest krótka, łożysko tworzy się późno, a laktacja jest przedłużona. Guernsey i wsp. wykazują, że cechy genetyczne, które regulują rozwój poprzez łożysko u euterydów, są wspólne z krótko żyjącym łożyskiem torbaczy (czerwone strzałki). Pokazują oni również, że niektóre z genów, które leżą u podstaw funkcji łożyska u euteryków, ulegają ekspresji podczas laktacji u torbaczy (niebieskie strzałki), w tym różne konserwowane składniki samej laktacji (czarna strzałka; Lefèvre i in., 2010). Uwaga: skale czasowe nie są absolutne.
Teraz, w eLife, Julie Baker ze Stanford University School of Medicine, Marilyn Renfree z University of Melbourne i współpracownicy – w tym Michael Guernsey ze Stanford jako pierwszy autor, Edward Chuong z University of Utah i Guillaume Cornelis (Stanford) – donoszą o nowych szczegółach mechanizmów molekularnych leżących u podstaw łożyskowania i laktacji u eutherian i marsupiali (Guernsey i in., 2017). Wyniki uzyskano dzięki zastosowaniu zmodyfikowanej wersji techniki zwanej RNA-seq do pomiaru, jak transkryptom (kompletny zestaw transkryptów RNA w komórce lub zestawie komórek) zmieniał się pomiędzy różnymi typami komórek podczas rozwoju (Rokas i Abbot, 2009).
Guernsey i wsp. porównali zmiany w ekspresji genów w dwóch typach komórek w łożysku tammar wallaby, małego australijskiego marsupiala, podczas rozwoju. Stwierdzili, że ekspresja genów różniła się między tymi dwoma tkankami, a co więcej, że zmieniała się dynamicznie w czasie, podobnie jak to się dzieje u euteryków. Co więcej, wśród transkryptów znaleziono wiele takich, które pełniły krytyczne funkcje w łożyskach euteryjskich, w tym członków szlaków sygnałowych Ig7 i GCM1, czynnika transkrypcyjnego, który jest ważny w tworzeniu i rozwoju łożyska. I nie były to tylko geny, które były zachowane, wzorce ekspresji genów w łożysku walaby przypominały te obserwowane w łożysku myszy we wczesnych stadiach ciąży. Jest to dokładnie to, czego spodziewalibyśmy się zobaczyć, gdyby łożysko pełniło wczesne funkcje rozwojowe u walaby, a późniejsze funkcje byłyby zapewnione postnatalnie. Sugeruje to, że zasadnicza różnica między marsupials i eutherians nie jest we wczesnych funkcjach łożyska, ale raczej w tym, jak funkcje łożyskowe zostały podzielone na przedziały w trakcie ewolucji ciąży eutherian.
Finally, Guernsey et al. scharakteryzował wzorce ekspresji genów w gruczołach sutkowych tammar i kilka ssaków. Zarówno mysz jak i tammar dzieliły podobne wzorce ekspresji genów, podkreślając temat funkcjonalnej kompartmentalizacji i konserwacji w obu grupach. Jednak co najważniejsze, zidentyfikowano szereg genów ulegających ekspresji w gruczołach mlekowych tammara, o których wiadomo, że są funkcjonalnie ważne w łożysku u euteryków (rysunek 1). Geny te obejmowały geny zaangażowane w transport składników odżywczych oraz kilka genów, o których wiadomo, że są wymagane dla łożyska u eutherian (w tym GCM1). To zachowanie ekspresji genów przemawia za tym, że u marsupiali łożysko zarządza wczesnym rozwojem płodu, a laktacja zarządza późnym rozwojem płodu, wykorzystując niektóre z tych samych genów i szlaków molekularnych, co łożysko euteryjskie.
Ci, którzy badają marsupiaki, od dawna twierdzą, że musimy poprawić nasze podręczniki, aby uznać łożyska marsupiołów i ich wyraźnie złożoną laktację (Renfree, 1983). Guernsey i in. wzmacniają tę tezę, wykazując, że zarówno euterydy, jak i torbacze wyrażają konserwowany zestaw genów, które mogą być zlokalizowane w różnych tkankach i organach, ale służą wspólnym celom w rozwoju płodowym. Ta zaskakująca konserwacja podkreśla znaczenie identyfikacji genów leżących u podstaw zmian funkcjonalnych podczas ewolucji (Rausher i Delph, 2015).
Patrząc w przyszłość, warto zauważyć, że torbacze różnią się ogromnie pod względem cech reprodukcyjnych (Tyndale-Briscoe, 2005), a charakteryzowanie większej liczby gatunków w sposób, w jaki Guernsey i in. zrobili to dla tammar wallaby, zapewni bogatsze zrozumienie ewolucji i różnorodności samej ciąży torbaczy. Jednakże, potrzeba więcej pracy, aby opracować odpowiednie metody statystyczne do ilościowego określenia zachowania profili transkryptomu pomiędzy gatunkami. Patrząc poza ssaki, formy łożyskowań występują u wszystkich gatunków, od jaszczurek, przez koniki morskie, po owady, a wstępne badania wskazują, że wiele genów lub cech jest wspólnych (Ostrovsky i in., 2016; Whittington i in., 2015). Fascynujące będzie dowiedzieć się, jak głęboko możemy prześledzić pochodzenie zestawu narzędzi ciążowych.
.