چگونه تغییرات سه بعدی در ژنوم کوسه ها را به اسکیت تبدیل کرد | مجله کوانتا

موجودات دریایی به نام اسکیت در امتداد کف دریا حرکت می‌کنند و باله‌های سینه‌ای بال مانند خود را موج می‌زنند تا خود را به حرکت درآورند و موجودات کوچکی را که در شن‌ها پنهان شده‌اند تحریک کنند. طرح بدن مسطح غیرمعمول آنها آنها را به یکی از عجیب‌ترین خانواده‌های ماهی‌های دریا تبدیل می‌کند، و حتی عجیب‌تر به نظر می‌رسد که آنها از گوشتخواران کوسه‌مانندی که حدود 285 میلیون سال پیش شنا می‌کردند، تکامل یافته‌اند. 

اکنون محققان کشف کرده‌اند که چگونه اسکیت‌ها مشخصات متمایز خود را تکامل داده‌اند: بازآرایی‌ها در توالی DNA اسکیت ساختار سه‌بعدی ژنوم آن را تغییر داده و ارتباطات قدیمی بین ژن‌های کلیدی رشد و توالی‌های تنظیمی حاکم بر آن‌ها را مختل کرده است. این تغییرات به نوبه خود طرح بدن حیوان را دوباره ترسیم کرد. دانشمندان یافته های خود را گزارش کردند in طبیعت در ماه آوریل است.

این کشف معمای دگرگونی تکاملی اسکیت ها را با سنجاق کردن آن بر روی مکانیسم های ژنتیکی که توسعه را هدایت می کند، حل می کند. "سوابق فسیلی به شما می گوید که این تغییر رخ داده است، اما واقعاً چگونه رخ داده است؟" گفت کریس آمیمیا، یک متخصص ژنتیک مولکولی در دانشگاه کالیفرنیا، مرسده که در مطالعه جدید شرکت نداشت. "این یک سوال کلاسیک evo-devo است."

ژنومیست تکاملی چند سال پیش برای کشف منشأ شکل بدن جدید اسکیت ها خوزه لوئیس گومز-اسکرمتا یک تیم بین المللی متنوع از محققان ژنومیک و زیست شناسان تکاملی را گرد هم آورد. تا حدودی به یک تیم نیاز بود زیرا اولین گام تعیین توالی و جمع‌آوری ژنوم یک اسکیت بود و جمع‌آوری ژنوم ماهی‌های غضروفی مانند اسکیت و کوسه بسیار سخت است.

"در کنار هم قرار دادن آنها واقعا دشوار است، زیرا آنها بزرگ هستند - اغلب بزرگتر از ژنوم انسان." ملانی دبیایس-تیبا، یک متخصص ژنتیک تکاملی در دانشگاه مونپلیه در فرانسه که در این کار دخالتی نداشت.

برای کار خود، تیم اسکیت کوچک را انتخاب کرد (Leucoraja erinacea) که به راحتی در امتداد سواحل اقیانوس اطلس آمریکای شمالی جمع آوری می شود. همچنین می‌توان آن را در آزمایشگاه پرورش داد، که امکان اجرای آزمایش‌های رشدی و عملکردی روی حیوانات را به عنوان بخشی از پروژه فراهم کرد. 

با مقایسه ژنوم اسکیت کوچک با ژنوم مهره داران دیگر، محققان به این نتیجه رسیدند که ژنوم اسکیت معمولاً در سطح توالی بسیار شبیه به اجداد مهره داران آنها باقی مانده است. با این حال، چند بازآرایی قابل توجه وجود داشت که بر ساختار سه بعدی ژنوم تأثیر می گذاشت. در DNA افراد، چنین بازآرایی‌ها می‌توانند با حذف تنظیم ژن باعث بیماری شوند. این کشف باعث شد که محققان به این فکر کنند که آیا بازآرایی در اسکیت ها ممکن است به طور مشابه دستورالعمل های ژنتیکی اولیه برای طرح بدن آنها را مختل کند. 

شکستن مرزها

اگر به دنباله DNA یک کروموزوم نگاه کنید، ژن‌های موجود در آن می‌توانند به‌طور شگفت‌انگیزی دور از توالی‌های کوتاه «افزایش‌کننده» که فعالیت آن ژن‌ها را تنظیم می‌کنند، به نظر برسند. با این حال، در عمل، به دلیل اینکه چگونه DNA موجود در هسته سلول روی خود حلقه می‌شود، تا می‌شود و به عقب برمی‌گردد، معمولاً اصلاً از هم دور نیستند.

در مهره‌داران، مجموعه‌ای از ژن‌های مرتبط با عملکرد و تقویت‌کننده‌های آن‌ها از نظر فیزیکی در سه بعد در واحدهایی به نام دامنه‌های مرتبط توپولوژیکی یا TADs گروه‌بندی می‌شوند. مناطق مرزی کمک می کند تا اطمینان حاصل شود که تقویت کننده ها فقط روی ژن های موجود در همان TAD عمل می کنند.

با این حال، زمانی که بازآرایی‌های ژنومی اصلی اتفاق می‌افتد - مانند آنچه که تیم در DNA اسکیت می‌دید - ممکن است مرزها از بین بروند و موقعیت‌های نسبی ژن‌ها روی کروموزوم‌ها تغییر کند. در نتیجه، "برخی از تقویت کننده ها می توانند دستورالعمل هایی را برای ژن اشتباه ارائه دهند." داریو لوپیانز، زیست شناس تکاملی در مرکز ماکس دلبروک در برلین و یکی از نویسندگان ارشد این مطالعه.

به نظر می رسید که تغییرات در معماری سه بعدی ژنوم اسکیت ممکن است بلوک های باستانی ژن هایی را که اسکیت ها از اجداد کوسه مانند خود به ارث برده بودند، مختل کرده باشد و بر عملکرد ژن ها تأثیر بگذارد. گفت: "ما در تلاش بودیم ببینیم که آیا برخی از بازآرایی ژنوم در اسکیت کوچک واقعاً این بلوک ها را می شکند یا خیر." فردیناند مارلتاز، ژنوم شناس در دانشگاه کالج لندن و نویسنده اول این مطالعه.

محققان بازآرایی ژنومی را در اسکیت کوچک شناسایی کردند که در هیچ مهره‌دار دیگری وجود نداشت. سپس آنها تمرکز خود را بر روی تغییراتی که به نظر می رسید بر اساس توالی ژنوم، بر یکپارچگی TAD ها تأثیر می گذارد، محدود کردند.

این تلاش آنها را به بازآرایی سوق داد که پیش‌بینی می‌کردند مرز TAD را که یک سیستم رشدی به نام مسیر قطبیت سلولی مسطح (PCP) را تنظیم می‌کند، از بین ببرد. آنها انتظار نداشتند که: هیچ چیز در مورد عملکردهای شناخته شده مسیر PCP بلافاصله نشان نمی دهد که توسعه باله را تنظیم می کند. بیشتر، شکل و جهت سلول ها را در جنین تعیین می کند.

یک همسایگی ژنتیکی جدید

برای آزمایش تأثیر بالقوه تغییر TAD بر توسعه باله، تتسویا ناکامورایک زیست شناس تکاملی در دانشگاه راتگرز، جنین های کوچک اسکیت را در معرض یک مهارکننده مسیر PCP قرار داد. لبه قدامی (جلو) باله های آنها به شدت تغییر کرده بود و رشد نمی کرد تا به طور معمول به سر بپیوندد. این نشان داد که اختلال در TAD اجدادی با فعال کردن ژن‌های PCP در قسمت جدیدی از بدن، باله‌های متمایز اسکیت را ایجاد کرده است.

لوپیانز گفت: "این بازآرایی TAD اساساً کل محیط ژن را تغییر می دهد و تقویت کننده های جدیدی را در مجاورت ژن می آورد."

اما این تنها تغییر ژنوم مرتبطی نبود که محققان دریافتند. آنها همچنین جهشی را در یک تقویت‌کننده شناسایی کردند که بیان برخی از ژن‌ها را در موارد مهم رشد تنظیم می‌کند. HOX گروه. هوکس ژن ها طرح کلی بدن را در تمام حیوانات متقارن دو طرفه مشخص می کنند. یکی از زیر مجموعه های آنها، هوکسا خوشه ژنی، معمولاً فقط در لبه های خلفی (پشتی) باله های در حال رشد و در اندام ها بیان می شود، جایی که شکل گیری اعداد را مشخص می کند.

در اسکیت کوچک، هوکسا ژن ها در هر دو قسمت خلفی و قدامی باله فعال بودند. Debiais-Thibaud گفت، گویی منطقه رشد در امتداد پشت باله در امتداد جلو تکرار شده است، به طوری که حیوان مجموعه جدیدی از ساختارها را در قسمت قدامی باله ایجاد کرد که متقارن با ساختارهای پشت باله بود.

ناکامورا نشان داد که تقویت کننده جهش یافته اسکیت باعث این جدید شده است هوکسا الگوی بیان او تقویت کننده اسکیت را با ژنی برای پروتئین فلورسنت ترکیب کرد و سپس آن ترکیب ژن را در جنین ماهی گورخر قرار داد. باله های سینه ای ماهی به طور غیر طبیعی رشد کردند و فلورسانس در هر دو لبه جلویی و انتهایی آنها ظاهر شد که نشان می داد تقویت کننده اسکیت در حال حرکت است. هوکسا بیان در هر دو قسمت باله وقتی ناکامورا آزمایش را با تقویت‌کننده کوسه تکرار کرد، رشد باله‌ها تحت تأثیر قرار نگرفت و فلورسانس به قسمت خلفی محدود شد.

بنابراین اکنون ما فکر می کنیم که جهش های ژنتیکی به طور خاص در تقویت کننده اسکیت رخ داده است و این می تواند منحصر به فرد باشد. HOX ناکامورا گفت: بیان ژن در باله های اسکیت.

برای راه های جدید زندگی شکل گرفته است

در تصویری از تکامل اسکیت که محققان بازسازی کرده اند، در مقطعی پس از جدا شدن دودمان اسکیت از کوسه ها، آنها جهشی در یک تقویت کننده به دست آوردند که باعث شد آنها هوکسا ژن های فعال در هر دو قسمت جلویی و پشتی باله های سینه ای آنها. و در بافت‌های جدیدی که در امتداد قدامی باله رشد می‌کردند، بازآرایی ژنوم باعث شد مسیر PCP توسط تقویت‌کننده‌ها در یک TAD متفاوت فعال شود، که تأثیر بیشتری در کشیده شدن باله به جلو و ترکیب شدن با سر حیوان داشت.

آمیمیا توضیح داد: «با تشکیل ساختار بال مانند، [اسکیت ها] اکنون می توانند در یک طاقچه اکولوژیکی کاملاً متفاوت، یعنی کف اقیانوس، ساکن شوند.

ماهی های گز، مانتا و دیگر پرتوها با اسکیت ها مرتبط هستند (همه آنها به عنوان ماهی های "باتوئید" طبقه بندی می شوند) و شکل پنکیک مشابه آنها احتمالاً به دلیل بازآرایی ژنوم یکسان است. با این حال، پرتوها همچنین باله‌های بال مانند خود را به گونه‌ای تغییر داده‌اند که اساساً به آنها اجازه می‌دهد در آب پرواز کنند. آمیمیا گفت: «اسکیت‌ها این موج‌های باله را دارند و در پایین می‌مانند، اما پرتوهای مانتا می‌توانند به سطح بیایند و حرکت کاملاً متفاوتی داشته باشند.

مارلتاز گفت، اگرچه زیست شناسان تکاملی پیش از این حدس می زدند که این تغییرات در معماری سه بعدی ژنوم ممکن است، این احتمالاً یکی از اولین مقالاتی است که به وضوح آنها را به تغییرات نسبتاً بزرگ در شکل بدن مرتبط می کند.

لوپیانز همچنین بر این باور است که یافته‌ها اهمیتی بسیار فراتر از درک اسکیت دارند. او گفت: «این یک راه کاملاً جدید برای تفکر در مورد تکامل است. بازآرایی های ساختاری "می تواند باعث شود که یک ژن در جایی که نباید فعال شود." وی افزود: این می تواند یک مکانیسم بیماری باشد، اما می تواند به عنوان محرک تکامل نیز عمل کند.