Kuidas 3D-muutused genoomis muutsid haid uiskudeks | Ajakiri Quanta

Uiskudeks kutsutud mereloomad libisevad mööda merepõhja, lainetades oma tiibadega sarnaseid rinnauimesid, et end liikuma panna ja liivas peituvaid väikseid olendeid ärgitada. Nende ebatavaline lame kehaplaan teeb neist ühe veidraima kalaperekonna meres ja veelgi veidram tundub, et nad arenesid välja voolujoonelistest hailaadsetest lihasööjatest, kes ujusid umbes 285 miljonit aastat tagasi. 

Nüüd on teadlased avastanud, kuidas uisud oma eripärase profiili välja arendasid: uisude DNA järjestuse ümberkorraldused muutsid selle genoomi 3D-struktuuri ja katkestasid iidsed seosed peamiste arengugeenide ja neid reguleerivate regulatiivsete järjestuste vahel. Need muudatused sõnastasid omakorda ümber looma kehaplaani. Teadlased teatasid oma leidudest in loodus aasta aprillis.

Avastus lahendab uiskude evolutsioonilise transformatsiooni mõistatuse, seostades selle arengut juhtivate geneetiliste mehhanismidega. "Fossiilide andmed näitavad, et see muutus toimus, aga kuidas see tegelikult toimus?" ütles Chris Amemiya, Mercedi California ülikooli molekulaargeneetik, kes uues uuringus ei osalenud. "See on klassikaline evo-devo küsimus."

Uiskude uudse kehakuju päritolu paljastamiseks tegi mõned aastad tagasi evolutsiooniline genoomik José Luis Gómez-Skarmeta pani kokku mitmekesise rahvusvahelise genoomikateadlaste ja evolutsiooniliste arengubioloogide meeskonna. Meeskonda oli vaja osaliselt seetõttu, et esimene samm oleks uisu genoomi järjestamine ja kokkupanemine ning kõhreliste kalade, nagu uisud ja haid, genoomide koostamine on keelatud.

"Neid on tõesti raske kokku panna, sest nad on tohutud - sageli suuremad kui inimese genoom," ütles Mélanie Debiais-Thibaud, Prantsusmaal Montpellier' ülikooli evolutsioonilise arengu geneetik, kes selle tööga ei osalenud.

Oma töö jaoks valis meeskond välja väikese uisu (Leucoraja erinacea), mida on lihtne koguda piki Põhja-Ameerika Atlandi ookeani rannikut. Seda saab kasvatada ka laboris, mis võimaldas projekti raames teha loomadel arendus- ja funktsionaalseid katseid. 

Võrreldes väikese uisu genoomi teiste selgroogsete genoomidega, leidsid teadlased, et uisu genoom on üldiselt jäänud järjestuse tasemel väga sarnaseks nende selgroogsete esivanemate omaga. Siiski oli mõned märkimisväärsed ümberkorraldused, mis oleksid mõjutanud genoomi 3D-struktuuri. Inimeste DNA-s võivad sellised ümberkorraldused põhjustada haigusi, jättes kõrvale geeniregulatsiooni. Avastus pani teadlased mõtlema, kas uiskude ümberkorraldused võisid samamoodi häirida nende kehaplaani esialgseid geneetilisi juhiseid. 

Piiride lõhkumine

Kui vaadata kromosoomi DNA järjestust, võivad selles olevad geenid tunduda üllatavalt kaugel nende geenide aktiivsust reguleerivatest lühikestest "võimendaja" järjestustest. Praktikas ei asu nad aga sageli üksteisest kaugel, kuna raku tuumas olev DNA keerdub, voldib ja loob end tagasi.

Selgroogsetel on funktsionaalselt seotud geenide komplektid ja nende võimendajad füüsiliselt rühmitatud kolmes mõõtmes üksustesse, mida nimetatakse topoloogiliselt seostavateks domeenideks ehk TAD-deks. Piiripiirkonnad aitavad tagada, et võimendajad toimiksid ainult sama TAD-i geenidele.

Kui aga toimuvad suured genoomi ümberkorraldused – nagu need, mida meeskond nägi uisu DNA-s –, võivad piirid kaduda ja geenide suhteline asend kromosoomides võib muutuda. Selle tulemusena "võivad mõned võimendajad anda juhiseid valele geenile," selgitas Dario Lupiáñez, Berliini Max Delbrücki keskuse evolutsioonibioloog ja üks uuringu vanemautoreid.

Näis võimalik, et muutused uisude genoomi 3D-arhitektuuris võisid häirida iidseid geeniplokke, mille uisud pärisid oma hailaadsetelt esivanematelt, mõjutades geenide funktsiooni. "Püüdsime uurida, kas mõned genoomi ümberkorraldused väikeses uisus tegelikult need plokid lõhuvad," ütles Ferdinand Marlétaz, Londoni ülikooli kolledži genoomik ja uuringu kaasautor.

Teadlased tuvastasid väikeses uisus genoomi ümberkorraldusi, mida ühelgi teisel selgroogsel ei esinenud. Seejärel piirasid nad oma tähelepanu muutustele, mis tundusid genoomijärjestuste põhjal kõige tõenäolisemalt TAD-de terviklikkust mõjutavat.

Jõupingutused viisid nad ümberkorraldamiseni, mis nende hinnangul kõrvaldaks TAD-i piiri, mis reguleerib arengusüsteemi, mida nimetatakse tasapinnalise raku polaarsuse (PCP) rajaks. Nad polnud seda oodanud: miski PCP raja teadaolevate funktsioonide kohta ei viita kohe sellele, et see reguleeriks uimede arengut. Enamasti määrab see embrüote rakkude kuju ja orientatsiooni.

Uus geneetiline naabruskond

Et testida TAD-i muudatuse võimalikku mõju uimede arengule, Tetsuya Nakamura, Rutgersi ülikooli evolutsioonibioloog, paljastas väikesed uisuembrüod PCP raja inhibiitoriga. Nende uimede eesmine (eesmine) serv oli tugevalt muutunud ega kasvanud välja, et ühineda peaga, nagu see tavaliselt juhtuks. See viitas sellele, et esivanemate TAD-i katkestamine oli tekitanud uisu eristavad uimed, aktiveerides PCP geenid uues kehaosas.

"See TAD-i ümberkorraldamine muudab põhimõtteliselt kogu geeni keskkonda ja toob geeni lähedusse uusi võimendajaid, " ütles Lupiáñez.

Kuid see ei olnud ainus asjakohane genoomi muutus, mille teadlased leidsid. Samuti tuvastasid nad mutatsiooni võimendajas, mis reguleerib mõnede geenide ekspressiooni arengu seisukohalt olulistes hox grupp. Hox geenid täpsustavad kõigi kahepoolselt sümmeetriliste loomade üldist kehaplaani. Üks nende alamhulk, hoxa geeniklastri, väljendub tavaliselt ainult arenevate uimede tagumistes (taga-) servades ja jäsemetes, kus see täpsustab numbrite moodustumist.

Väikeses uisus, hoxa geenid olid aktiivsed nii uime tagumises kui ka eesmises osas. Tundus, nagu oleks uime tagumist kasvutsoon esiosa piki dubleeritud, nii et loom tegi uime esiküljele uue struktuuride komplekti, mis oli sümmeetriline tagumise struktuuriga, ütles Debiais-Thibaud.

Nakamura näitas, et uisu muteerunud võimendaja põhjustas selle uue hoxa väljendusmuster. Ta kombineeris uisu võimendaja fluorestseeruva valgu geeniga ja seejärel sisestas selle geenikombinatsiooni sebrakala embrüotesse. Kalade rinnauimed kasvasid ebanormaalselt ja fluorestsents ilmnes nii nende esi- kui ka tagumises servas, mis näitas, et uisu tugevdaja sõitis. hoxa väljendus mõlemas uime osas. Kui Nakamura kordas katset hai võimendajaga, ei mõjutanud uimede kasvu ja fluorestsents piirdus tagumise osaga.

"Nii et me mõtleme nüüd, et geneetilised mutatsioonid toimusid spetsiaalselt uisuvõimendajas ja see võib põhjustada ainulaadset hox geeniekspressioon uisuimedes, ”ütles Nakamura.

Uute eluviiside jaoks kujundatud

Teadlaste rekonstrueeritud uisude evolutsiooni pildil omandasid nad mingil hetkel pärast seda, kui uisude suguvõsa lahknes haidest, mutatsiooni võimendajas, mis muutis nende hoxa geenid, mis on aktiivsed nii nende rinnauimede esi- kui ka tagaosas. Ja uutes kudedes, mis kasvasid piki uime esiosa, põhjustasid genoomi ümberkorraldused PCP raja aktiveerimise erinevas TAD-is olevatest võimendajatest, mille edasine mõju oli see, et uim ulatus edasi ja sulandub looma peaga.

"Moodustades tiivalaadse struktuuri, saavad [uisud] nüüd asustada täiesti erinevat ökoloogilist nišši, ookeani põhja," selgitas Amemiya.

Raid, mantad ja teised raid on uiskidega tihedalt seotud (need kõik on klassifitseeritud "batoid" kaladeks) ja nende sarnaselt pannkookiline kuju on tõenäoliselt tingitud samadest genoomi ümberkorraldustest. Kiired on aga muutnud ka oma tiivalaadseid uimed viisil, mis võimaldab neil põhimõtteliselt läbi vee lennata. "Uiskudel on sellised lainelised uimed ja need jäävad põhja, kuid mantakiired võivad pinnale tulla ja neil võib olla täiesti erinev liikumisviis," ütles Amemiya.

Kuigi evolutsioonilised arengubioloogid on varem spekuleerinud, et need muutused genoomi 3D-arhitektuuris võivad olla võimalikud, on see tõenäoliselt üks esimesi dokumente, mis selgelt seostavad neid üsna suurte muutustega kehakujus, ütles Marlétaz.

Lupiáñez usub ka, et leidudel on tähtsus, mis ulatub uiskude mõistmisest palju kaugemale. "See on täiesti uus viis evolutsioonist mõelda," ütles ta. Struktuurilised ümberkorraldused "võivad põhjustada geeni aktiveerimise kohas, kus see ei tohiks olla." Ta lisas: "See võib olla haiguse mehhanism, kuid see võib olla ka evolutsiooni tõukejõud."