জিনোমের 3D পরিবর্তন কিভাবে হাঙ্গরকে স্কেটে পরিণত করেছে | কোয়ান্টা ম্যাগাজিন

স্কেট নামক সামুদ্রিক প্রাণীরা সমুদ্রের তলদেশে স্কিম করে, তাদের ডানার মতো পেক্টোরাল পাখনাগুলোকে ঢেলে সাজায় এবং বালির মধ্যে লুকিয়ে থাকা ছোট প্রাণীদের আলোড়িত করে। তাদের অস্বাভাবিক চ্যাপ্টা দেহের পরিকল্পনা তাদের সমুদ্রের মাছের সবচেয়ে অদ্ভুত পরিবারগুলির মধ্যে একটি করে তোলে এবং এটি আরও অদ্ভুত বলে মনে হয় যে তারা প্রায় 285 মিলিয়ন বছর আগে সাঁতার কাটা সুবিন্যস্ত, হাঙরের মতো মাংসাশী থেকে বিবর্তিত হয়েছিল। 

এখন গবেষকরা আবিষ্কার করেছেন যে কীভাবে স্কেটগুলি তাদের স্বতন্ত্র প্রোফাইলটি বিকশিত করেছে: স্কেটের ডিএনএ ক্রমগুলির পুনর্বিন্যাসগুলি এর জিনোমের 3D কাঠামোকে পরিবর্তন করেছে এবং মূল উন্নয়নমূলক জিন এবং তাদের পরিচালনাকারী নিয়ন্ত্রক ক্রমগুলির মধ্যে প্রাচীন সংযোগগুলিকে ব্যাহত করেছে। পালাক্রমে এই পরিবর্তনগুলি প্রাণীর দেহের পরিকল্পনাকে পুনরায় তৈরি করেছে। বিজ্ঞানীরা তাদের ফলাফল রিপোর্ট করেছে in প্রকৃতি এপ্রিলে.

আবিষ্কারটি স্কেটের বিবর্তনীয় রূপান্তরের রহস্যের সমাধান করে যা বিকাশকে নির্দেশ করে জেনেটিক প্রক্রিয়ার উপর পিন করে। "ফসিল রেকর্ড আপনাকে বলে যে এই পরিবর্তনটি ঘটেছে, কিন্তু এটি আসলে কীভাবে ঘটেছে?" বলেছেন ক্রিস আমেমিয়া, ক্যালিফোর্নিয়া বিশ্ববিদ্যালয়ের একজন আণবিক জেনেটিস্ট, মার্সেড যিনি নতুন গবেষণায় জড়িত ছিলেন না। "এটি একটি ক্লাসিক ইভো-ডেভো প্রশ্ন।"

স্কেটের অভিনব শরীরের আকৃতির উৎপত্তি উদ্ঘাটন করতে, কয়েক বছর আগে বিবর্তনীয় জিনোমিসিস্ট হোসে লুইস গোমেজ-স্কারমেটা জিনোমিক্স গবেষক এবং বিবর্তনীয় উন্নয়নমূলক জীববিজ্ঞানীদের একটি বৈচিত্র্যময় আন্তর্জাতিক দলকে একত্রিত করেছে। একটি দল আংশিকভাবে প্রয়োজন ছিল কারণ প্রথম পদক্ষেপটি হবে একটি স্কেটের জিনোমকে ক্রম এবং একত্রিত করা এবং স্কেট এবং হাঙ্গরের মতো কার্টিলাজিনাস মাছের জিনোমগুলি সংকলন করা নিষিদ্ধভাবে কঠিন।

"এগুলি একসাথে করা সত্যিই কঠিন, কারণ তারা বিশাল - প্রায়শই মানুষের জিনোমের চেয়েও বড়," বলেছেন মেলানি ডেবিয়াইস-থিবাউড, ফ্রান্সের মন্টপেলিয়ার বিশ্ববিদ্যালয়ের একজন বিবর্তনীয় উন্নয়নমূলক জেনেটিস্ট যিনি এই কাজের সাথে জড়িত ছিলেন না।

তাদের কাজের জন্য, দলটি ছোট স্কেট নির্বাচন করেছে (লিউকোরাজা এরিনেসিয়া), যা উত্তর আমেরিকার আটলান্টিক উপকূল বরাবর সহজেই সংগ্রহ করা হয়। এটি একটি পরীক্ষাগারেও প্রতিপালন করা যেতে পারে, যা প্রকল্পের অংশ হিসাবে প্রাণীদের উপর উন্নয়নমূলক এবং কার্যকরী পরীক্ষা চালানো সম্ভব করেছে। 

ছোট স্কেটের জিনোমকে অন্যান্য মেরুদণ্ডী প্রাণীর জিনোমের সাথে তুলনা করে, গবেষকরা নির্ধারণ করেছেন যে স্কেট জিনোমটি ক্রম স্তরে তাদের মেরুদণ্ডী পূর্বপুরুষদের সাথে খুব মিল রয়েছে। যাইহোক, কিছু উল্লেখযোগ্য পুনর্বিন্যাস ছিল যা জিনোমের 3D গঠনকে প্রভাবিত করবে। ব্যক্তিদের ডিএনএতে, এই ধরনের পুনর্বিন্যাস জিন নিয়ন্ত্রণ বন্ধ করে রোগের কারণ হতে পারে। আবিষ্কারটি গবেষকদের বিস্মিত করতে পরিচালিত করেছিল যে স্কেটগুলিতে পুনর্বিন্যাস একইভাবে তাদের শরীরের পরিকল্পনার মূল জেনেটিক নির্দেশগুলিকে ব্যাহত করেছে কিনা। 

ব্রেকিং ডাউন দ্য বাউন্ডারি

আপনি যদি একটি ক্রোমোজোমের ডিএনএ ক্রমটি দেখেন তবে এতে থাকা জিনগুলি সেই জিনগুলির কার্যকলাপ নিয়ন্ত্রণকারী ছোট "বর্ধক" ক্রমগুলি থেকে আশ্চর্যজনকভাবে অনেক দূরে বলে মনে হতে পারে। অনুশীলনে, যদিও, কোষের নিউক্লিয়াসের ডিএনএ কীভাবে নিজের উপর ফিরে আসে, ভাঁজ করে এবং লুপ করে, তারা প্রায়শই দূরে থাকে না।

মেরুদণ্ডী প্রাণীদের মধ্যে, কার্যকরীভাবে সম্পর্কিত জিনগুলির সেট এবং তাদের বর্ধককে শারীরিকভাবে একত্রে তিনটি মাত্রায় একত্রে গোষ্ঠীভুক্ত করা হয় যাকে টপোলজিক্যালি অ্যাসোসিয়েটিং ডোমেন বা TADs বলা হয়। সীমানা অঞ্চলগুলি নিশ্চিত করতে সাহায্য করে যে বর্ধক শুধুমাত্র একই TAD-তে জিনের উপর কাজ করে।

যাইহোক, যখন প্রধান জিনোম পুনর্বিন্যাস ঘটে — যেমন দলটি স্কেটের ডিএনএ-তে দেখেছিল — সীমানা হারিয়ে যেতে পারে, এবং ক্রোমোজোমের জিনের আপেক্ষিক অবস্থান পরিবর্তন হতে পারে। ফলস্বরূপ, "কিছু বর্ধক ভুল জিনকে নির্দেশ দিতে পারে," ব্যাখ্যা করা হয়েছে দারিও লুপিয়ানেজ, বার্লিনের ম্যাক্স ডেলব্রুক সেন্টারের একজন বিবর্তনীয় জীববিজ্ঞানী এবং গবেষণার সিনিয়র লেখকদের একজন।

এটা সম্ভব ছিল যে স্কেট জিনোমের 3D স্থাপত্যের পরিবর্তনগুলি তাদের হাঙ্গরের মতো পূর্বপুরুষদের কাছ থেকে উত্তরাধিকারসূত্রে পাওয়া জিনের প্রাচীন ব্লকগুলিকে ব্যাহত করতে পারে, যা জিনের কার্যকারিতাকে প্রভাবিত করে। "আমরা দেখার চেষ্টা করছিলাম যে ছোট্ট স্কেটের কিছু জিনোম পুনর্বিন্যাস আসলে এই ব্লকগুলিকে ভেঙে দেয় কিনা," বলেন ফার্দিনান্দ মার্লেটাজ, ইউনিভার্সিটি কলেজ লন্ডনের একজন জিনোমিসিস্ট এবং গবেষণার সহ-প্রথম লেখক।

গবেষকরা ছোট স্কেটে জিনোম পুনর্বিন্যাস সনাক্ত করেছেন যা অন্য কোনও মেরুদণ্ডে উপস্থিত ছিল না। তারপরে তারা জিনোম সিকোয়েন্সের উপর ভিত্তি করে, TAD-এর অখণ্ডতাকে প্রভাবিত করতে পারে বলে মনে হচ্ছে এমন পরিবর্তনগুলিতে তাদের ফোকাস সংকুচিত করে।

প্রচেষ্টা তাদের একটি পুনর্বিন্যাসের দিকে নিয়ে যায় যে তারা ভবিষ্যদ্বাণী করেছিল যে একটি TAD এর সীমানা দূর করবে যা প্ল্যানার সেল পোলারিটি (PCP) পাথওয়ে নামে একটি উন্নয়নমূলক সিস্টেমকে নিয়ন্ত্রণ করে। তারা এটা আশা করেনি: PCP পাথওয়ের পরিচিত ফাংশন সম্পর্কে কিছুই অবিলম্বে পরামর্শ দেয় যে এটি ফিনের বিকাশকে নিয়ন্ত্রণ করবে। বেশিরভাগ ক্ষেত্রে, এটি ভ্রূণের কোষগুলির আকৃতি এবং অভিযোজন স্থাপন করে।

একটি নতুন জেনেটিক প্রতিবেশী

পাখনা উন্নয়নের উপর TAD পরিবর্তনের সম্ভাব্য প্রভাব পরীক্ষা করতে, তেতসুয়া নাকামুরা, রাটগার্স ইউনিভার্সিটির একজন বিবর্তনীয় উন্নয়নমূলক জীববিজ্ঞানী, পিসিপি পথের একটি বাধার কাছে সামান্য স্কেট ভ্রূণকে উন্মুক্ত করেছেন। তাদের পাখনার অগ্রভাগের (সামনের) প্রান্তটি দৃঢ়ভাবে পরিবর্তিত হয়েছিল এবং মাথার সাথে যুক্ত হওয়ার জন্য এটি সাধারণত হয় না। এটি পরামর্শ দিয়েছে যে পূর্বপুরুষ TAD এর ব্যাঘাত শরীরের একটি নতুন অংশে PCP জিন সক্রিয় করে স্কেটের স্বতন্ত্র পাখনা তৈরি করেছে।

"টিএডির এই পুনর্বিন্যাসটি মূলত জিনের সমগ্র পরিবেশকে পরিবর্তন করে এবং জিনের আশেপাশে নতুন বর্ধক নিয়ে আসে," লুপিয়েজ বলেন।

কিন্তু এটিই একমাত্র প্রাসঙ্গিক জিনোম পরিবর্তন ছিল না যা গবেষকরা খুঁজে পেয়েছেন। তারা একটি পরিবর্ধনকারীতে একটি মিউটেশনও শনাক্ত করেছে যা উন্নয়নমূলকভাবে গুরুত্বপূর্ণ কিছু জিনের প্রকাশকে নিয়ন্ত্রণ করে। হক্স গ্রুপ। হক্স জিনগুলি সমস্ত দ্বিপাক্ষিক প্রতিসম প্রাণীদের শরীরের সাধারণ পরিকল্পনা নির্দিষ্ট করে। তাদের একটি উপসেট, hoxa জিন ক্লাস্টার, সাধারণত শুধুমাত্র বিকাশমান পাখনার পিছনের (পিছনে) প্রান্তে এবং অঙ্গ-প্রত্যঙ্গে প্রকাশ করা হয়, যেখানে এটি অঙ্কের গঠন নির্দিষ্ট করে।

ছোট স্কেট মধ্যে, hoxa পাখনার পশ্চাৎ ও পূর্ববর্তী উভয় অংশেই জিন সক্রিয় ছিল। এটি এমন ছিল যেন পাখনার পিছনের দিকের বৃদ্ধির অঞ্চলটি সামনে বরাবর নকল করা হয়েছিল, যাতে প্রাণীটি পাখনার অগ্রভাগে কাঠামোর একটি নতুন সেট তৈরি করে যা পিছনের দিকের কাঠামোর সাথে প্রতিসাম্য ছিল, ডেবিয়াইস-থিবাউড বলেছেন।

নাকামুরা দেখিয়েছিলেন যে স্কেটের পরিবর্তিত বর্ধক এই নতুনটি ঘটাচ্ছে hoxa অভিব্যক্তি প্যাটার্ন। তিনি একটি ফ্লুরোসেন্ট প্রোটিনের জন্য একটি জিনের সাথে স্কেটের বর্ধককে একত্রিত করেন এবং তারপর সেই জিন সংমিশ্রণটি জেব্রা মাছের ভ্রূণে প্রবেশ করান। মাছের পেক্টোরাল ফিনগুলি অস্বাভাবিকভাবে বৃদ্ধি পেয়েছিল, এবং ফ্লুরোসেন্স তাদের অগ্রবর্তী এবং পিছনের উভয় প্রান্ত বরাবর উপস্থিত হয়েছিল, যা দেখায় যে স্কেটের বর্ধকটি চালনা করছে hoxa পাখনার উভয় অংশে অভিব্যক্তি। যখন নাকামুরা একটি হাঙ্গর থেকে একটি বর্ধক নিয়ে পরীক্ষাটি পুনরাবৃত্তি করেছিলেন, তখন পাখনার বৃদ্ধি প্রভাবিত হয়নি এবং ফ্লুরোসেন্সটি পশ্চাৎভাগে সীমাবদ্ধ ছিল।

"সুতরাং এখন আমরা ভাবছি যে জেনেটিক মিউটেশনগুলি বিশেষভাবে স্কেট বর্ধক যন্ত্রে ঘটেছে এবং এটি অনন্য ড্রাইভ করতে পারে হক্স স্কেট ফিনসে জিনের প্রকাশ," নাকামুরা বলেছেন।

জীবনের নতুন উপায় জন্য আকৃতির

গবেষকরা স্কেট বিবর্তনের যে চিত্রটি পুনর্গঠন করেছেন তাতে, স্কেটের বংশ হাঙ্গর থেকে বিচ্ছিন্ন হওয়ার পরে, তারা একটি পরিবর্ধনকারীতে একটি মিউটেশন অর্জন করেছিল যা তাদের hoxa জিনগুলি তাদের পেক্টোরাল ফিনের সামনে এবং পিছনে উভয় দিকে সক্রিয়। এবং পাখনার পূর্ববর্তী অংশে বেড়ে ওঠা নতুন টিস্যুগুলির মধ্যে, জিনোম পুনর্বিন্যাসের ফলে পিসিপি পাথওয়েকে একটি ভিন্ন TAD তে বর্ধক দ্বারা সক্রিয় করা হয়েছিল, যা পাখনাটিকে সামনের দিকে প্রসারিত করতে এবং প্রাণীর মাথার সাথে ফিউজ করার আরও প্রভাব ফেলেছিল।

"ডানার মতো কাঠামো তৈরি করে, [স্কেটগুলি] এখন সমুদ্রের তলদেশে সম্পূর্ণ ভিন্ন পরিবেশগত কুলুঙ্গিতে বসবাস করতে সক্ষম হয়েছে," আমেমিয়া ব্যাখ্যা করেছেন।

স্টিংরে, মান্তা এবং অন্যান্য রশ্মিগুলি স্কেটের সাথে ঘনিষ্ঠভাবে সম্পর্কিত (এগুলিকে "ব্যাটোয়েড" মাছ হিসাবে শ্রেণীবদ্ধ করা হয়), এবং তাদের একই রকম প্যানকেক আকৃতি সম্ভবত একই জিনোম পুনর্বিন্যাসের কারণে। তবে রশ্মিগুলি তাদের ডানার মতো পাখনাগুলিকে এমনভাবে পরিবর্তন করেছে যা মূলত তাদের জলের মধ্য দিয়ে উড়তে দেয়। "স্কেটগুলির পাখনার এই সীমাবদ্ধতা থাকে এবং নীচে থাকে, তবে মান্তা রশ্মিগুলি পৃষ্ঠে আসতে পারে এবং গতির সম্পূর্ণ ভিন্ন উপায় হতে পারে," আমেমিয়া বলেন।

যদিও বিবর্তনীয় উন্নয়নমূলক জীববিজ্ঞানীরা পূর্বে অনুমান করেছেন যে একটি জিনোমের 3D স্থাপত্যে এই পরিবর্তনগুলি সম্ভব হতে পারে, এটি সম্ভবত প্রথম কাগজগুলির মধ্যে একটি যা স্পষ্টভাবে তাদের শরীরের আকারে মোটামুটি বড় পরিবর্তনের সাথে যুক্ত করে, মার্লেটাজ বলেছেন।

লুপিয়ানেজও বিশ্বাস করেন যে ফলাফলগুলির তাত্পর্য রয়েছে যা স্কেট বোঝার বাইরেও পৌঁছেছে। "এটি বিবর্তন সম্পর্কে চিন্তা করার একটি সম্পূর্ণ নতুন উপায়," তিনি বলেছিলেন। কাঠামোগত পুনর্বিন্যাস "একটি জিনকে এমন জায়গায় সক্রিয় করতে পারে যেখানে এটি হওয়া উচিত নয়।" তিনি যোগ করেছেন: "এটি রোগের একটি প্রক্রিয়া হতে পারে, তবে এটি বিবর্তনের চালক হিসাবেও কাজ করতে পারে।"