Πώς οι τρισδιάστατες αλλαγές στο γονιδίωμα μετέτρεψαν τους καρχαρίες σε πατίνια | Περιοδικό Quanta

Τα θαλάσσια πλάσματα που ονομάζονται πατίνια σκαρφαλώνουν κατά μήκος του πυθμένα της θάλασσας, κυματίζοντας τα θωρακικά πτερύγια τους που μοιάζουν με φτερούγες για να προωθηθούν και να ξεσηκώσουν μικρά πλάσματα που κρύβονται στην άμμο. Το ασυνήθιστο πεπλατυσμένο σχέδιο του σώματός τους τους καθιστά μια από τις πιο περίεργες οικογένειες ψαριών στη θάλασσα και φαίνεται ακόμη πιο παράξενο το γεγονός ότι εξελίχθηκαν από εξορθολογισμένα, σαν καρχαρίες σαρκοφάγα που κολύμπησαν πριν από περίπου 285 εκατομμύρια χρόνια. 

Τώρα οι ερευνητές ανακάλυψαν πώς τα πατίνια εξέλιξαν το χαρακτηριστικό τους προφίλ: Ανακατατάξεις στην αλληλουχία DNA του σαλάχια άλλαξαν την τρισδιάστατη δομή του γονιδιώματός του και διέκοψαν τις αρχαίες συνδέσεις μεταξύ των βασικών αναπτυξιακών γονιδίων και των ρυθμιστικών ακολουθιών που τα διέπουν. Αυτές οι αλλαγές με τη σειρά τους αναδιατύπωσαν το σχέδιο σώματος του ζώου. Οι επιστήμονες ανέφεραν τα ευρήματά τους in Φύση τον Απρίλιο.

Η ανακάλυψη λύνει το μυστήριο της εξελικτικής μεταμόρφωσης των πατινιών, κολλώντας το σε γενετικούς μηχανισμούς που κατευθύνουν την ανάπτυξη. «Το αρχείο απολιθωμάτων σας λέει ότι αυτή η αλλαγή συνέβη, αλλά πώς συνέβη στην πραγματικότητα;» είπε Κρις Αμεμίγια, μοριακός γενετιστής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Merced που δεν συμμετείχε στη νέα μελέτη. «Αυτή είναι μια κλασική ερώτηση evo-devo».

Για να αποκαλύψει τις απαρχές του νέου σχήματος σώματος των σαλάχια, πριν από μερικά χρόνια ο εξελικτικός γονιδιωματικός José Luis Gómez-Skarmeta συγκέντρωσε μια ποικιλόμορφη διεθνή ομάδα ερευνητών γονιδιωματικής και βιολόγων εξελικτικής ανάπτυξης. Χρειαζόταν μια ομάδα εν μέρει επειδή το πρώτο βήμα θα ήταν η αλληλουχία και η συναρμολόγηση του γονιδιώματος ενός σαλάχι, και η συλλογή των γονιδιωμάτων των χόνδρινων ψαριών όπως τα σαλάχια και οι καρχαρίες είναι απαγορευτικά δύσκολη.

«Είναι πραγματικά δύσκολο να συνδυαστούν, γιατί είναι τεράστια — συχνά μεγαλύτερα από το ανθρώπινο γονιδίωμα», είπε. Mélanie Debiais-Thibaud, ένας εξελικτικός αναπτυξιακός γενετιστής στο Πανεπιστήμιο του Μονπελιέ στη Γαλλία που δεν συμμετείχε στην εργασία.

Για τη δουλειά της, η ομάδα επέλεξε το μικρό πατίνι (Leucoraja erinacea), το οποίο συλλέγεται εύκολα κατά μήκος των ακτών του Ατλαντικού της Βόρειας Αμερικής. Μπορεί επίσης να εκτραφεί σε εργαστήριο, το οποίο κατέστησε δυνατή τη διεξαγωγή αναπτυξιακών και λειτουργικών πειραμάτων στα ζώα ως μέρος του έργου. 

Συγκρίνοντας το γονιδίωμα του μικρού σαλάχου με το γονιδίωμα άλλων σπονδυλωτών, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι το γονιδίωμα του σαλάχι παρέμεινε γενικά πολύ παρόμοιο με αυτό των σπονδυλωτών προγόνων τους σε επίπεδο αλληλουχίας. Ωστόσο, υπήρξαν μερικές αξιοσημείωτες ανακατατάξεις που θα είχαν επηρεάσει την τρισδιάστατη δομή του γονιδιώματος. Στο DNA των ατόμων, τέτοιες ανακατατάξεις μπορούν να προκαλέσουν ασθένειες απορρίπτοντας τη γονιδιακή ρύθμιση. Η ανακάλυψη οδήγησε τους ερευνητές να αναρωτηθούν εάν οι ανακατατάξεις στα σαλάχια θα μπορούσαν να είχαν παρομοίως διαταράξει τις αρχικές γενετικές οδηγίες για το σχέδιο του σώματός τους. 

Σπάζοντας τα όρια

Αν κοιτάξετε την αλληλουχία DNA ενός χρωμοσώματος, τα γονίδια σε αυτό μπορεί να φαίνονται εκπληκτικά μακριά από τις σύντομες αλληλουχίες «ενισχυτών» που ρυθμίζουν τη δραστηριότητα αυτών των γονιδίων. Στην πράξη, όμως, λόγω του τρόπου με τον οποίο το DNA σε έναν πυρήνα κυττάρου περιελίσσεται, διπλώνει και επανέρχεται στον εαυτό του, συχνά δεν απέχουν καθόλου.

Στα σπονδυλωτά, σύνολα λειτουργικά σχετιζόμενων γονιδίων και οι ενισχυτές τους ομαδοποιούνται φυσικά μαζί σε τρεις διαστάσεις σε μονάδες που ονομάζονται τοπολογικά συσχετιζόμενοι τομείς ή TADs. Οι οριακές περιοχές βοηθούν να διασφαλιστεί ότι οι ενισχυτές δρουν μόνο σε γονίδια στο ίδιο TAD.

Ωστόσο, όταν συμβαίνουν μεγάλες ανακατατάξεις του γονιδιώματος - όπως αυτές που έβλεπε η ομάδα στο DNA του σαλάχι - τα όρια μπορεί να χαθούν και οι σχετικές θέσεις των γονιδίων στα χρωμοσώματα μπορούν να αλλάξουν. Ως αποτέλεσμα, «ορισμένοι ενισχυτές μπορούν να παρέχουν οδηγίες σε λάθος γονίδιο», εξηγείται Ντάριο Λουπιάνεθ, εξελικτικός βιολόγος στο κέντρο Max Delbrück στο Βερολίνο και ένας από τους ανώτερους συγγραφείς της μελέτης.

Φαινόταν πιθανό ότι οι αλλαγές στην τρισδιάστατη αρχιτεκτονική του γονιδιώματος του skate μπορεί να είχαν διαταράξει τα αρχαία μπλοκ γονιδίων που κληρονόμησαν τα πατίνια από τους προγόνους τους που μοιάζουν με καρχαρίες, επηρεάζοντας τη λειτουργία των γονιδίων. «Προσπαθούσαμε να δούμε αν κάποιες ανακατατάξεις του γονιδιώματος στο μικρό πατίνι όντως σπάνε αυτά τα μπλοκ», είπε. Ferdinand Marlétaz, γονιδιωματικός στο University College του Λονδίνου και συν-πρώτος συγγραφέας της μελέτης.

Οι ερευνητές εντόπισαν αναδιατάξεις γονιδιώματος στο μικρό πατίνι που δεν υπήρχαν σε κανένα άλλο σπονδυλωτό. Στη συνέχεια περιόρισαν την εστίασή τους στις αλλαγές που φαινόταν πιο πιθανό να επηρεάσουν την ακεραιότητα των TADs, με βάση τις αλληλουχίες του γονιδιώματος.

Η προσπάθεια τους οδήγησε σε μια αναδιάταξη που προέβλεψαν ότι θα εξαλείψει το όριο ενός TAD που ρυθμίζει ένα αναπτυξιακό σύστημα που ονομάζεται μονοπάτι επίπεδης κυτταρικής πολικότητας (PCP). Δεν το περίμεναν αυτό: Τίποτα σχετικά με τις γνωστές λειτουργίες της οδού PCP δεν έδειχνε αμέσως ότι θα ρύθμιζε την ανάπτυξη των πτερυγίων. Κυρίως, καθορίζει το σχήμα και τον προσανατολισμό των κυττάρων στα έμβρυα.

Μια νέα γενετική γειτονιά

Για να δοκιμάσετε τον πιθανό αντίκτυπο της αλλαγής του TAD στην ανάπτυξη των πτερυγίων, Tetsuya Nakamura, ένας εξελικτικός αναπτυξιακός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο Rutgers, εξέθεσε μικρά έμβρυα σαλάχι σε έναν αναστολέα της οδού PCP. Το πρόσθιο (μπροστινό) άκρο των πτερυγίων τους είχε αλλοιωθεί έντονα και δεν αναπτύχθηκε για να ενωθεί με το κεφάλι όπως θα έκανε συνήθως. Υπέδειξε ότι η διαταραχή του προγονικού TAD είχε δημιουργήσει τα χαρακτηριστικά πτερύγια του πατινιού ενεργοποιώντας τα γονίδια PCP σε ένα νέο μέρος του σώματος.

«Αυτή η αναδιάταξη του TAD ουσιαστικά αλλάζει ολόκληρο το περιβάλλον του γονιδίου και φέρνει νέους ενισχυτές κοντά στο γονίδιο», είπε ο Lupiáñez.

Αλλά αυτή δεν ήταν η μόνη σχετική αλλαγή γονιδιώματος που βρήκαν οι ερευνητές. Εντόπισαν επίσης μια μετάλλαξη σε έναν ενισχυτή που ρυθμίζει την έκφραση ορισμένων γονιδίων στα αναπτυξιακά σημαντικά hox ομάδα. Χοκ γονίδια καθορίζουν το γενικό σχέδιο σώματος σε όλα τα αμφίπλευρα συμμετρικά ζώα. Ένα υποσύνολο από αυτά, το hoxa συστάδα γονιδίων, εκφράζεται συνήθως μόνο στα οπίσθια (πίσω) άκρα των αναπτυσσόμενων πτερυγίων και στα άκρα, όπου προσδιορίζει το σχηματισμό των ψηφίων.

Στο μικρό πατίνι, το hoxa γονίδια ήταν ενεργά τόσο στο οπίσθιο όσο και στο πρόσθιο τμήμα του πτερυγίου. Ήταν σαν να είχε διπλασιαστεί η ζώνη ανάπτυξης κατά μήκος του πίσω μέρους του πτερυγίου κατά μήκος του μπροστινού μέρους, έτσι ώστε το ζώο έφτιαξε ένα νέο σύνολο δομών στο μπροστινό μέρος του πτερυγίου που ήταν συμμετρικό με τις δομές στο πίσω μέρος, είπε ο Debiais-Thibaud.

Ο Νακαμούρα έδειξε ότι ο μεταλλαγμένος ενισχυτής του πατινιού προκαλούσε αυτό το νέο hoxa μοτίβο έκφρασης. Συνδύασε τον ενισχυτή του σαλάχι με ένα γονίδιο για μια φθορίζουσα πρωτεΐνη και στη συνέχεια εισήγαγε αυτόν τον συνδυασμό γονιδίων σε έμβρυα ψαριών ζέβρας. Τα θωρακικά πτερύγια του ψαριού μεγάλωσαν ασυνήθιστα και εμφανίστηκε φθορισμός κατά μήκος τόσο των μπροστινών όσο και των οπισθίων άκρων τους, γεγονός που έδειχνε ότι ο ενισχυτής του σαλάχι οδηγούσε hoxa έκφραση και στα δύο μέρη του πτερυγίου. Όταν ο Nakamura επανέλαβε το πείραμα με έναν ενισχυτή από έναν καρχαρία, η ανάπτυξη των πτερυγίων δεν επηρεάστηκε και ο φθορισμός περιορίστηκε στον οπίσθιο.

«Λοιπόν τώρα σκεφτόμαστε ότι οι γενετικές μεταλλάξεις συνέβησαν ειδικά στον ενισχυτή πατίνι και αυτό μπορεί να οδηγήσει σε μοναδικές hox γονιδιακή έκφραση στα πτερύγια του skate», είπε ο Nakamura.

Σχηματισμένο για νέους τρόπους ζωής

Στην εικόνα της εξέλιξης του πατινιού που έχουν ανακατασκευάσει οι ερευνητές, κάποια στιγμή μετά την απόκλιση της γενεαλογίας των skate από τους καρχαρίες, απέκτησαν μια μετάλλαξη σε έναν ενισχυτή που έκανε τους hoxa γονίδια ενεργά τόσο στο μπροστινό όσο και στο πίσω μέρος των θωρακικών πτερυγίων τους. Και μέσα στους νέους ιστούς που αναπτύσσονται κατά μήκος του πρόσθιου τμήματος του πτερυγίου, οι αναδιατάξεις του γονιδιώματος προκάλεσαν την ενεργοποίηση της οδού PCP από ενισχυτές σε διαφορετικό TAD, το οποίο είχε το περαιτέρω αποτέλεσμα να κάνει το πτερύγιο να εκτείνεται προς τα εμπρός και να συγχωνεύεται με το κεφάλι του ζώου.

«Σχηματίζοντας τη δομή που μοιάζει με φτερό, [τα πατίνια] μπορούν τώρα να κατοικήσουν σε μια εντελώς διαφορετική οικολογική θέση, στον πυθμένα του ωκεανού», εξήγησε η Amemiya.

Τα Stingrays, τα mantas και άλλες ακτίνες σχετίζονται στενά με τα σαλάχια (ταξινομούνται όλα ως "batoid" ψάρια) και το παρόμοιο σχήμα τους σε τηγανίτα οφείλεται πιθανώς στις ίδιες ανακατατάξεις του γονιδιώματος. Οι ακτίνες, ωστόσο, έχουν επίσης τροποποιήσει τα πτερύγια τους που μοιάζουν με φτερά με τρόπους που βασικά τους επιτρέπουν να πετούν μέσα στο νερό. «Τα πατίνια έχουν αυτούς τους κυματισμούς του πτερυγίου και παραμένουν στο κάτω μέρος, αλλά οι ακτίνες μάντα μπορούν να βγουν στην επιφάνεια και να έχουν έναν εντελώς διαφορετικό τρόπο κίνησης», είπε η Αμεμίγια.

Αν και οι εξελικτικοί βιολόγοι είχαν υποθέσει προηγουμένως ότι αυτές οι αλλαγές στην τρισδιάστατη αρχιτεκτονική ενός γονιδιώματος μπορεί να είναι πιθανές, αυτό είναι πιθανώς ένα από τα πρώτα έγγραφα που τις συνδέουν σαφώς με αρκετά μεγάλες αλλαγές στο σχήμα του σώματος, είπε ο Marlétaz.

Ο Lupiáñez πιστεύει επίσης ότι τα ευρήματα έχουν σημασία που ξεπερνά την κατανόηση των πατινιών. «Αυτός είναι ένας εντελώς νέος τρόπος σκέψης για την εξέλιξη», είπε. Οι δομικές ανακατατάξεις «μπορούν να προκαλέσουν την ενεργοποίηση ενός γονιδίου σε ένα μέρος όπου δεν θα έπρεπε». Και πρόσθεσε: «Αυτό μπορεί να είναι ένας μηχανισμός ασθένειας, αλλά μπορεί επίσης να χρησιμεύσει ως οδηγός της εξέλιξης».