Hogyan változtatták a 3D-s változások a genomban a cápákat korcsolyává | Quanta Magazin

A korcsolyának nevezett tengeri lények a tengerfenéken siklik, szárnyszerű mellúszóikkal fodrozzák magukat, hogy megmozdítsák magukat, és felkavarják a homokban megbúvó kis lényeket. Szokatlan, lapított testalkatuk a tengeri halak egyik legfurcsább családjává teszi őket, és még furcsábbnak tűnik, hogy áramvonalas, cápaszerű húsevőkből fejlődtek ki, amelyek körülbelül 285 millió évvel ezelőtt úsztak. 

A kutatók most felfedezték, hogyan alakult ki a korcsolyák jellegzetes profilja: a korcsolya DNS-szekvenciájának átrendeződései megváltoztatták genomjának 3D-s szerkezetét, és megzavarták a kulcsfontosságú fejlődési gének és az őket irányító szabályozó szekvenciák közötti ősi kapcsolatokat. Ezek a változtatások pedig újrafogalmazták az állat testtervét. A tudósok beszámoltak eredményeikről in Természet áprilisban.

A felfedezés megfejti a korcsolyák evolúciós átalakulásának rejtélyét azáltal, hogy a fejlődést irányító genetikai mechanizmusokhoz köti. "A fosszilis feljegyzések szerint ez a változás megtörtént, de hogyan történt valójában?" mondott Chris Amemiya, a Mercedi Kaliforniai Egyetem molekuláris genetikusa, aki nem vett részt az új tanulmányban. "Ez egy klasszikus evo-devo kérdés."

A korcsolyák újszerű testformájának eredetének feltárására néhány évvel ezelőtt az evolúciós genomikus José Luis Gómez-Skarmeta genomikai kutatókból és evolúciós fejlődésbiológusokból álló változatos nemzetközi csapatot állított össze. Egy csapatra részben azért volt szükség, mert az első lépés egy rája genomjának szekvenálása és összeállítása lenne, a porcos halak, például a rája és a cápa genomjának összeállítása pedig tilos.

„Nagyon nehéz összerakni őket, mert hatalmasak – gyakran nagyobbak, mint az emberi genom” – mondta Mélanie Debiais-Thibaud, a franciaországi Montpellier Egyetem evolúciós fejlődési genetikusa, aki nem vett részt a munkában.

Munkájukhoz a csapat a kis korcsolyát (Leucoraja erinacea), amely könnyen összegyűjthető Észak-Amerika Atlanti-óceán partja mentén. Laboratóriumban is nevelhető, ami lehetővé tette az állatokon végzett fejlesztési és funkcionális kísérletek lefolytatását a projekt keretében. 

A kis rája genomjának összehasonlításával más gerincesek genomjával a kutatók megállapították, hogy a rája genomja szekvencia szinten általában nagyon hasonló maradt a gerinces őseikéhez. Volt azonban néhány figyelemre méltó átrendeződés, amely befolyásolta volna a genom 3D szerkezetét. Az egyedek DNS-ében az ilyen átrendeződések a génszabályozás felborításával betegségeket okozhatnak. A felfedezés arra késztette a kutatókat, hogy elgondolkodjanak azon, vajon a korcsolyák átrendeződései hasonlóképpen megzavarhatták-e a testtervük eredeti genetikai utasításait. 

A határok lebontása

Ha megnézzük egy kromoszóma DNS-szekvenciáját, a benne lévő gének meglepően távolinak tűnhetnek a rövid „fokozó” szekvenciáktól, amelyek e gének aktivitását szabályozzák. A gyakorlatban azonban, mivel a sejtmag DNS-e feltekercselődik, hajtogatja magát és visszahurkolja magát, gyakran egyáltalán nincsenek messze egymástól.

Gerincesekben a funkcionálisan rokon gének és fokozóik fizikailag három dimenzióban csoportosulnak topológiailag asszociáló doméneknek vagy TAD-oknak nevezett egységekben. A határrégiók segítenek annak biztosításában, hogy az enhanszerek csak ugyanabban a TAD-ban lévő génekre hatnak.

Ha azonban jelentős genom-átrendeződések következnek be – mint amilyeneket a csapat a korcsolya DNS-ében látott – a határok elveszhetnek, és a gének relatív helyzete a kromoszómákon megváltozhat. Ennek eredményeként „egyes enhanszorok nem a megfelelő génhez adhatnak utasításokat” – magyarázta Dario Lupiáñez, a berlini Max Delbrück Központ evolúciós biológusa és a tanulmány egyik vezető szerzője.

Lehetségesnek tűnt, hogy a korcsolya genomjának 3D architektúrájában bekövetkezett változások megzavarhatták azokat az ősi génblokkokat, amelyeket a korcsolyák cápaszerű őseiktől örököltek, befolyásolva a gének működését. "Megpróbáltuk megvizsgálni, hogy a kis korcsolya bizonyos genom-átrendeződései valóban megtörik-e ezeket a blokkokat" - mondta Ferdinánd Marlétaz, a University College London genomikusa és a tanulmány társszerzője.

A kutatók olyan genom-átrendeződéseket azonosítottak a kis korcsolyában, amelyek más gerinceseknél nem voltak jelen. Ezután leszűkítették a fókuszt azokra a változásokra, amelyek a genomszekvenciák alapján a legnagyobb valószínűséggel befolyásolják a TAD-ok integritását.

Az erőfeszítések olyan átrendeződéshez vezették őket, amely előrejelzésük szerint megszünteti a TAD határát, amely a planáris sejtpolaritás (PCP) útvonalnak nevezett fejlődési rendszert szabályozza. Erre nem számítottak: A PCP-útvonal ismert funkcióiról semmi sem utalt azonnal arra, hogy az uszonyfejlődést szabályozná. Leginkább az embriókban lévő sejtek alakját és orientációját határozza meg.

Egy új genetikai szomszédság

A TAD változás lehetséges hatásának tesztelése az uszony fejlődésére, Tetsuya Nakamura, a Rutgers Egyetem evolúciós fejlődésbiológusa kis korcsolyaembriókat tett ki a PCP-útvonal inhibitorának. Uszonyaik elülső (elülső) széle erősen megváltozott, és nem nőtt ki, hogy csatlakozzon a fejhez, mint általában. Azt sugallja, hogy az ősi TAD megszakítása a korcsolya jellegzetes uszonyait hozta létre azáltal, hogy a PCP géneket aktiválta a test egy új részében.

"A TAD ezen átrendeződése alapvetően megváltoztatja a gén teljes környezetét, és új fokozókat hoz a gén közelébe" - mondta Lupiáñez.

De nem ez volt az egyetlen releváns genomváltozás, amelyet a kutatók találtak. Egy mutációt is azonosítottak egy enhanszerben, amely szabályozza egyes gének expresszióját a fejlődés szempontjából fontos hox csoport. Hox A gének meghatározzák az általános testtervet minden bilaterálisan szimmetrikus állatban. Egyik részhalmaza, a hoxa gén klaszter, általában csak a fejlődő uszonyok hátsó (hátsó) szélén és a végtagokban fejeződik ki, ahol a számjegyek kialakulását írja elő.

A kis korcsolyában a hoxa gének az uszony hátsó és elülső részében egyaránt aktívak voltak. Debiais-Thibaud szerint olyan volt, mintha az uszony hátsó részének növekedési zónája megkettőződött volna az uszony elülső részén, így az állat az uszony elülső részén új szerkezeteket hozott létre, amelyek szimmetrikusak voltak a hátulsó szerkezetekkel.

Nakamura megmutatta, hogy a korcsolya mutált fokozója okozza ezt az újdonságot hoxa kifejezési minta. A rája fokozóját egy fluoreszcens fehérje génjével kombinálta, majd ezt a génkombinációt beépítette a zebrahal embrióiba. A halak mellúszói abnormálisan megnőttek, és fluoreszcencia jelent meg mind a bevezető, mind a hátsó szélükön, ami azt mutatja, hogy a korcsolya erősítője hajtott. hoxa kifejezés az uszony mindkét részében. Amikor Nakamura megismételte a kísérletet egy cápából származó fokozóval, az uszony növekedése nem változott, és a fluoreszcencia a hátsó részre korlátozódott.

„Tehát most arra gondolunk, hogy a genetikai mutációk kifejezetten a korcsolyajavítóban fordultak elő, és ez egyedi hox génexpresszió a rájauszonyokban” – mondta Nakamura.

Az új életformákra formálva

A kutatók által rekonstruált képen a korcsolya evolúciójáról, miután a korcsolya leszármazása elvált a cápáktól, egy mutációra tettek szert egy fokozóban, amely hoxa mellúszójuk elülső és hátsó részén egyaránt aktív gének. És az uszony elülső része mentén növekvő új szövetekben a genom átrendeződése miatt a PCP útvonalat egy másik TAD-ban lévő enhanszer aktiválta, aminek további hatása az volt, hogy az uszony előrenyúlik és összeolvad az állat fejével.

„A szárnyszerű szerkezet kialakításával [a korcsolyák] egy teljesen más ökológiai rést, az óceán fenekét képesek belakni” – magyarázta Amemiya.

A ráják, a mantak és más ráják közeli rokonságban állnak a rájákkal (mind a „batoid” halak közé sorolják őket), és hasonlóan palacsinta alakjuk valószínűleg ugyanazon genom-átrendeződésnek köszönhető. A sugarak azonban szárnyszerű uszonyaikat is módosították oly módon, hogy alapvetően lehetővé teszik számukra, hogy átrepüljenek a vízen. „A korcsolyák uszonyának hullámai vannak, és az alján maradnak, de a manta sugarak a felszínre kerülhetnek, és egészen más módon mozoghatnak” – mondta Amemiya.

Bár az evolúciós fejlődésbiológusok korábban azt feltételezték, hogy ezek a változások a genom 3D-s architektúrájában lehetségesek lehetnek, valószínűleg ez az egyik első olyan tanulmány, amely egyértelműen összefüggésbe hozza őket a testforma meglehetősen nagy változásaival, mondta Marlétaz.

Lupiáñez azt is hiszi, hogy a leleteknek olyan jelentőségük van, amely messze meghaladja a korcsolya megértését. "Ez egy teljesen új módja annak, hogy az evolúcióról gondolkodjunk" - mondta. A szerkezeti átrendeződések „olyan helyen aktiválhatják a gént, ahol nem kellene lennie”. Hozzátette: "Ez lehet a betegség mechanizmusa, de az evolúció motorjaként is szolgálhat."