Hvordan 3D-ændringer i genomet forvandlede hajer til skøjter | Quanta Magasinet

De marine væsner, der kaldes skøjter, skummer langs havbunden og risler deres vingelignende brystfinner for at drive sig selv frem og opildne små væsner, der gemmer sig i sandet. Deres usædvanlige fladtrykte kropsplan gør dem til en af ​​de mærkeligste fiskefamilier i havet, og det virker endnu mærkeligere, at de udviklede sig fra strømlinede, hajlignende kødædere, der svømmede for omkring 285 millioner år siden. 

Nu har forskere opdaget, hvordan skøjter udviklede deres karakteristiske profil: Omarrangeringer i skøjtens DNA-sekvens ændrede 3D-strukturen af ​​dens genom og forstyrrede ældgamle forbindelser mellem nøgleudviklingsgener og de regulatoriske sekvenser, der styrede dem. Disse ændringer omformulerede igen dyrets kropsplan. Forskerne rapporterede deres resultater in Natur i april.

Opdagelsen løser mysteriet om skøjternes evolutionære transformation ved at sætte det fast på genetiske mekanismer, der styrer udviklingen. "Fossiloptegnelserne fortæller dig, at denne ændring fandt sted, men hvordan opstod den egentlig?" sagde Chris Amemiya, en molekylær genetiker ved University of California, Merced, som ikke var involveret i den nye undersøgelse. "Dette er et klassisk evo-devo-spørgsmål."

For at afsløre oprindelsen af ​​skøjternes nye kropsform, for et par år siden, den evolutionære genomiker José Luis Gómez-Skarmeta samlet et mangfoldigt internationalt hold af genomforskningsforskere og evolutionære udviklingsbiologer. Der var brug for et hold, dels fordi det første skridt ville være at sekventere og samle genomet af en skøjte, og det er uoverkommeligt svært at kompilere genomerne fra bruskfisk som skøjter og hajer.

"De er virkelig svære at sætte sammen, fordi de er enorme - ofte større end det menneskelige genom," sagde Mélanie Debiais-Thibaud, en evolutionær udviklingsgenetiker ved universitetet i Montpellier i Frankrig, som ikke var involveret i arbejdet.

Til deres arbejde udvalgte holdet den lille skøjte (Leucoraja erinacea), som let samles langs Atlanterhavskysten i Nordamerika. Den kan også opdrættes i et laboratorium, hvilket gjorde det muligt at køre udviklings- og funktionsforsøg på dyrene som en del af projektet. 

Ved at sammenligne genomet af den lille skøjte med genomerne fra andre hvirveldyr, fastslog forskerne, at skøjtegenomet generelt er forblevet meget lig deres hvirveldyrs forfædre på sekvensniveau. Der var dog et par bemærkelsesværdige omarrangementer, der ville have påvirket genomets 3D-struktur. I individers DNA kan sådanne omlejringer forårsage sygdomme ved at afbryde genregulering. Opdagelsen fik forskerne til at spekulere på, om omlægningerne i skøjter på samme måde kunne have forstyrret de originale genetiske instruktioner til deres kropsplan. 

Bryde grænserne ned

Hvis du ser på DNA-sekvensen af ​​et kromosom, kan generne i det virke overraskende langt væk fra de korte "enhancer"-sekvenser, der regulerer aktiviteten af ​​disse gener. I praksis er de dog ofte slet ikke langt fra hinanden på grund af, hvordan DNA'et i en cellekerne spoler, folder og sløjfer tilbage på sig selv.

Hos hvirveldyr er sæt af funktionelt relaterede gener og deres forstærkere fysisk grupperet sammen i tre dimensioner i enheder kaldet topologisk associerende domæner eller TAD'er. Grænseregioner er med til at sikre, at forstærkere kun virker på gener i samme TAD.

Men når store genom-omlejringer forekommer - som dem, holdet så i skøjtens DNA - kan grænser gå tabt, og de relative positioner af gener på kromosomerne kan ændre sig. Som et resultat kan "nogle forstærkere give instruktioner til det forkerte gen," forklarede Dario Lupiáñez, en evolutionsbiolog ved Max Delbrück Center i Berlin og en af ​​de ledende forfattere af undersøgelsen.

Det syntes muligt, at ændringerne i 3D-arkitekturen af ​​skate-genomet kunne have forstyrret de gamle blokke af gener, som skøjterne arvede fra deres hajlignende forfædre, hvilket påvirkede genernes funktion. "Vi prøvede at se på, om nogle genom-omlægninger i den lille skøjte faktisk bryder disse blokke," sagde Ferdinand Marlétaz, en genomiker ved University College London og medførsteforfatter af undersøgelsen.

Forskerne identificerede genom-omlejringer i den lille skøjte, som ikke var til stede i andre hvirveldyr. Derefter indsnævrede de deres fokus til de ændringer, der syntes mest sandsynligt at påvirke integriteten af ​​TAD'erne, baseret på genomsekvenserne.

Indsatsen førte dem til en omarrangering, som de forudsagde ville eliminere grænsen for en TAD, der regulerer et udviklingssystem kaldet den plane celle polaritet (PCP) pathway. Det havde de ikke forventet: Intet om PCP-vejens kendte funktioner antydede umiddelbart, at det ville regulere finneudviklingen. For det meste etablerer det formen og orienteringen af ​​celler i embryoner.

Et nyt genetisk kvarter

For at teste den potentielle indvirkning af TAD-ændringen på finneudviklingen, Tetsuya Nakamura, en evolutionær udviklingsbiolog ved Rutgers University, udsatte små skate-embryoner for en hæmmer af PCP-vejen. Den forreste (forreste) kant af deres finner var stærkt ændret og voksede ikke ud til at slutte sig til hovedet, som det normalt ville. Det antydede, at forstyrrelsen af ​​den forfædres TAD havde frembragt skøjtens karakteristiske finner ved at aktivere PCP-gener i en ny del af kroppen.

"Denne omarrangering af TAD ændrer grundlæggende hele genets miljø og bringer nye forstærkere i nærheden af ​​genet," sagde Lupiáñez.

Men det var ikke den eneste relevante genomændring, som forskerne fandt. De identificerede også en mutation i en forstærker, der regulerer ekspressionen af ​​nogle gener i udviklingsmæssigt vigtige HOX gruppe. Hox gener specificerer den generelle kropsplan i alle bilateralt symmetriske dyr. En undergruppe af dem, den hoxa genklynge, udtrykkes normalt kun i de bagerste (bag)kanter af de udviklende finner og i lemmer, hvor det specificerer dannelsen af ​​cifre.

I den lille skøjte, den hoxa gener var aktive i både den bageste og den forreste del af finnen. Det var, som om vækstzonen langs finnens bagside var blevet duplikeret langs forsiden, så dyret lavede et nyt sæt strukturer på forsiden af ​​finnen, der var symmetrisk med strukturer på den bageste, sagde Debiais-Thibaud.

Nakamura viste, at skøjtens muterede forstærker var årsag til dette nye hoxa udtryksmønster. Han kombinerede skøjtens forstærker med et gen for et fluorescerende protein og indsatte derefter den genkombination i zebrafiskembryoner. Fiskens brystfinner voksede unormalt, og der opstod fluorescens langs både deres for- og bagkant, hvilket viste, at skøjtens forstærker drev hoxa udtryk i begge dele af finnen. Da Nakamura gentog eksperimentet med en forstærker fra en haj, var finnevæksten upåvirket, og fluorescensen var begrænset til den bageste.

"Så nu tænker vi, at de genetiske mutationer opstod specifikt i skøjteforstærkeren, og det kan drive unikke HOX genekspression i skatefinner," sagde Nakamura.

Formet til nye måder at leve på

I billedet af skate-evolution, som forskerne har rekonstrueret, på et tidspunkt efter at skate-slægten adskilte sig fra hajer, fik de en mutation i en forstærker, der gjorde deres hoxa gener, der er aktive i både for- og bagsiden af ​​deres brystfinner. Og i det nye væv, der voksede langs den forreste del af finnen, forårsagede genomomlægninger, at PCP-vejen blev aktiveret af forstærkere i en anden TAD, hvilket havde den yderligere effekt, at finnen strækker sig fremad og smelter sammen med dyrets hoved.

"Ved at danne den vingeagtige struktur er [skøjterne] nu i stand til at bebo en helt anden økologisk niche, bunden af ​​havet," forklarede Amemiya.

Rokker, mantaer og andre rokker er tæt beslægtede med skøjter (de er alle klassificeret som "batoide" fisk), og deres lignende pandekageform skyldes sandsynligvis de samme genomomlægninger. Strålerne har dog også modificeret deres vingelignende finner på måder, der grundlæggende tillader dem at flyve gennem vandet. "Skøjterne har disse bølger af finnen og forbliver på bunden, men mantastråler kan komme til overfladen og have en helt anden måde at bevæge sig på," sagde Amemiya.

Selvom evolutionære udviklingsbiologer tidligere har spekuleret i, at disse ændringer i 3D-arkitekturen af ​​et genom kan være mulige, er dette sandsynligvis en af ​​de første artikler, der klart forbinder dem med ret store ændringer i kropsformen, sagde Marlétaz.

Lupiáñez mener også, at resultaterne har en betydning, der rækker langt ud over en forståelse af skøjter. "Dette er en helt ny måde at tænke evolution på," sagde han. Strukturelle omlejringer "kan forårsage, at et gen aktiveres et sted, hvor det ikke burde være." Han tilføjede: "Dette kan være en sygdomsmekanisme, men det kan også tjene som en drivkraft for evolution."