Kuinka 3D-muutokset genomissa muuttivat hait luistimiksi | Quanta-lehti

Luistimet luistelevat merenpohjaa pitkin aaltoilevat siipimäisiä rintaeviään liikkuakseen ja kiihdyttääkseen hiekkaan piiloutuvia pieniä olentoja. Heidän epätavallinen litteä ruumiinrakenne tekee niistä yhden meren omituisimmista kalaperheistä, ja vielä oudolta näyttää, että ne kehittyivät virtaviivaisista, hainomaisista lihansyöjistä, jotka uivat noin 285 miljoonaa vuotta sitten. 

Nyt tutkijat ovat havainneet, kuinka luistimet ovat kehittäneet ominaista profiiliaan: Luistimen DNA-sekvenssin uudelleenjärjestelyt muuttivat sen genomin 3D-rakennetta ja katkaisivat muinaiset yhteydet keskeisten kehitysgeenien ja niitä hallitsevien säätelysekvenssien välillä. Nämä muutokset puolestaan ​​muotoilivat uudelleen eläimen vartalosuunnitelman. Tiedemiehet raportoivat havainnoistaan in luonto huhtikuussa.

Löytö ratkaisee luistimien evoluutiomuutoksen mysteerin kiinnittämällä sen kehitystä ohjaaviin geneettisiin mekanismeihin. "Fossiiliaineisto kertoo, että tämä muutos tapahtui, mutta kuinka se todellisuudessa tapahtui?" sanoi Chris Amemiya, molekyyligeneetikko Kalifornian yliopistosta Mercedistä, joka ei ollut mukana uudessa tutkimuksessa. "Tämä on klassinen evo-devo-kysymys."

Paljastaakseen luistimien uudenlaisen vartalon muodon alkuperän, muutama vuosi sitten evoluution genomitieteilijä José Luis Gómez-Skarmeta koonnut monimuotoisen kansainvälisen ryhmän genomiikan tutkijoista ja evoluutiokehitysbiologeista. Ryhmää tarvittiin osittain siksi, että ensimmäinen askel olisi sekvensoida ja koota luistimen genomi, ja rustokalojen, kuten luistimien ja haiden, genomien kokoaminen on mahdottoman vaikeaa.

"Ne on todella vaikea koota yhteen, koska ne ovat valtavia - usein suurempia kuin ihmisen genomi", sanoi Mélanie Debiais-Thibaud, evoluution kehitysgeneetikko Montpellierin yliopistosta Ranskassa, joka ei ollut mukana työhön.

Työhönsä joukkue valitsi pienen luistimen (Leucoraja erinacea), joka on helppo kerätä Pohjois-Amerikan Atlantin rannikolta. Sitä voidaan kasvattaa myös laboratoriossa, mikä mahdollisti kehitys- ja toimintakokeiden tekemisen eläimillä osana hanketta. 

Vertaamalla pienen luistimen genomia muiden selkärankaisten genomiin tutkijat totesivat, että luistingenomi on yleensä säilynyt sekvenssitasolla hyvin samankaltaisena kuin heidän selkärankaisten esivanhempiensa. Kuitenkin oli muutamia merkittäviä uudelleenjärjestelyjä, jotka olisivat vaikuttaneet genomin 3D-rakenteeseen. Yksilöiden DNA:ssa tällaiset uudelleenjärjestelyt voivat aiheuttaa sairauksia heikentämällä geenisäätelyä. Löytö sai tutkijat pohtimaan, olisivatko luistimien uudelleenjärjestelyt saattaneet samalla tavalla häiritä heidän kehosuunnitelmansa alkuperäisiä geneettisiä ohjeita. 

Rajojen rikkominen

Jos tarkastellaan kromosomin DNA-sekvenssiä, siinä olevat geenit voivat näyttää yllättävän kaukana lyhyistä "tehostaja" -sekvensseistä, jotka säätelevät näiden geenien toimintaa. Käytännössä kuitenkin, koska solun ytimessä oleva DNA kiertyy, taittuu ja kiertyy takaisin itseensä, ne eivät useinkaan ole kaukana toisistaan.

Selkärankaisilla joukot toiminnallisesti samankaltaisia ​​geenejä ja niiden tehostajia on fyysisesti ryhmitelty kolmeen ulottuvuuteen yksiköihin, joita kutsutaan topologisesti yhdistäviksi domeeneiksi tai TAD:iksi. Raja-alueet auttavat varmistamaan, että tehostajat vaikuttavat vain saman TAD:n geeneihin.

Kuitenkin, kun tapahtuu suuria genomin uudelleenjärjestelyjä - kuten ne, joita ryhmä näki luistimen DNA:ssa - rajat voivat kadota ja geenien suhteellinen asema kromosomeissa voi muuttua. Tämän seurauksena "jotkut tehostajat voivat antaa ohjeita väärälle geenille", selitti Dario Lupiáñez, evoluutiobiologi Max Delbrück Centerissä Berliinissä ja yksi tutkimuksen vanhemmista kirjoittajista.

Näytti mahdolliselta, että muutokset luistingenomin 3D-arkkitehtuurissa saattoivat häiritä muinaisia ​​geenilohkoja, jotka luistimet ovat perineet hainomaisilta esivanhemmiltaan, mikä vaikutti geenien toimintaan. "Yritimme tarkastella, rikkovatko jotkut genomin uudelleenjärjestelyt pienessä luistimessa todella nämä lohkot", sanoi Ferdinand Marlétaz, genomisti University College Londonissa ja tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja.

Tutkijat tunnistivat pienessä luistimessa genomin uudelleenjärjestelyjä, joita ei ollut missään muissa selkärankaisissa. Sitten he rajasivat huomionsa muutoksiin, jotka näyttivät todennäköisimmin vaikuttavan TAD:ien eheyteen genomisekvenssien perusteella.

Pyrkimys johti heidät uudelleenjärjestelyyn, jonka he ennustivat poistavan TAD:n rajan, joka säätelee kehitysjärjestelmää, jota kutsutaan planar cell polarity (PCP) -reitiksi. He eivät olleet odottaneet sitä: Mikään PCP-reitin tunnetuista toiminnoista ei viittannut välittömästi sen säätelevän evien kehitystä. Useimmiten se määrittää alkioiden solujen muodon ja suunnan.

Uusi geneettinen naapurusto

Testaakseen TAD-muutoksen mahdollista vaikutusta evien kehitykseen, Tetsuya Nakamura, Rutgersin yliopiston evoluutiokehitysbiologi, altisti pienet luistinalkiot PCP-reitin estäjälle. Heidän evien anterior (etu) reuna oli voimakkaasti muuttunut, eikä se kasvanut kiinni pään kanssa normaalisti. Se ehdotti, että esi-isien TAD:n hajoaminen oli tuottanut luistimen erottuvia eviä aktivoimalla PCP-geenejä uudessa kehon osassa.

"Tämä TAD:n uudelleenjärjestely muuttaa periaatteessa koko geenin ympäristöä ja tuo uusia tehostajia geenin läheisyyteen", Lupiáñez sanoi.

Mutta se ei ollut ainoa olennainen genomin muutos, jonka tutkijat löysivät. He myös tunnistivat mutaation tehostajassa, joka säätelee joidenkin geenien ilmentymistä kehityksen kannalta tärkeissä HOX ryhmään. HOX geenit määrittävät yleisen vartalosuunnitelman kaikissa bilateraalisesti symmetrisissä eläimissä. Yksi niistä, hoxa geeniklusteri, ilmentyy yleensä vain kehittyvien evien takareunoissa ja raajoissa, joissa se määrittelee sormien muodostumisen.

Pienessä luistimessa hoxa geenit olivat aktiivisia sekä evän taka- että etuosissa. Näytti siltä, ​​että evän takaosassa oleva kasvuvyöhyke olisi kopioitu etuosaan, niin että eläin teki evän etuosaan uuden rakenteen, joka oli symmetrinen takaosien rakenteiden kanssa, Debiais-Thibaud sanoi.

Nakamura osoitti, että luistimen mutatoitunut tehostaja aiheutti tämän uuden hoxa ilmaisumalli. Hän yhdisti luistimen tehostimen fluoresoivan proteiinin geeniin ja lisäsi sitten tämän geeniyhdistelmän seeprakalojen alkioihin. Kalan rintaevät kasvoivat epänormaalisti ja fluoresenssia ilmaantui sekä etu- että takareunaan, mikä osoitti, että luistimen tehostin ajoi. hoxa ilme evän molemmissa osissa. Kun Nakamura toisti kokeen hain tehostajalla, evien kasvu ei vaikuttanut ja fluoresenssi rajoittui takaosaan.

"Joten nyt ajattelemme, että geneettiset mutaatiot tapahtuivat nimenomaan luistimen tehostajassa, ja se voi johtaa ainutlaatuiseen HOX geenin ilmentyminen luistimen evissa", Nakamura sanoi.

Muotoiltu uusia elämäntapoja varten

Tutkijoiden rekonstruoimassa kuvassa luistimen evoluutiota, jossain vaiheessa sen jälkeen, kun luistinperintö erosi haista, he saivat mutaation tehostajassa, joka teki heidän hoxa geenit, jotka toimivat sekä rintaevien etu- että takaosassa. Ja evän etuosassa kasvavissa uusissa kudoksissa genomin uudelleenjärjestelyt saivat PCP-reitin aktivoitumaan tehostajilla eri TAD:ssa, millä oli lisävaikutus, joka sai evän ulottumaan eteenpäin ja sulautumaan eläimen pään kanssa.

"Muodostamalla siipimäisen rakenteen [luistimet] voivat nyt asua kokonaan eri ekologisessa markkinaraossa, valtameren pohjassa", Amemiya selitti.

Rauskut, mantat ja muut rauskut ovat läheistä sukua luistimille (ne kaikki luokitellaan "batoid"-kaloiksi), ja niiden samanlainen pannukakku muoto johtuu todennäköisesti samoista genomin uudelleenjärjestelyistä. Säteet ovat kuitenkin myös muokanneet siipimäisiä eviään tavalla, joka periaatteessa sallii niiden lentää veden läpi. "Luistimissa on nämä evän aaltoilut ja ne pysyvät pohjassa, mutta manta-säteet voivat nousta pintaan ja niillä on aivan erilainen liikkumistapa", Amemiya sanoi.

Vaikka evoluutiokehitysbiologit ovat aiemmin spekuloineet, että nämä muutokset genomin 3D-arkkitehtuurissa voisivat olla mahdollisia, tämä on luultavasti yksi ensimmäisistä papereista, joka selvästi yhdistää ne melko suuriin kehon muodon muutoksiin, Marlétaz sanoi.

Lupiáñez uskoo myös, että löydöksillä on merkitystä, joka ylittää paljon luistimien ymmärtämisen. "Tämä on täysin uusi tapa ajatella evoluutiota", hän sanoi. Rakenteelliset uudelleenjärjestelyt "voivat saada geenin aktivoitumaan paikassa, jossa sen ei pitäisi olla". Hän lisäsi: "Tämä voi olla sairauden mekanismi, mutta se voi myös toimia evoluution moottorina."