Bagaimana Perubahan 3D dalam Genom Mengubah Hiu Menjadi Seluncur | Majalah Quanta

Makhluk laut yang disebut sepatu roda meluncur di sepanjang dasar laut, mengibaskan sirip dada yang mirip sayap untuk mendorong diri mereka sendiri dan menggerakkan makhluk kecil yang bersembunyi di pasir. Bentuk tubuh pipih mereka yang tidak biasa menjadikan mereka salah satu keluarga ikan paling aneh di laut, dan tampaknya lebih aneh lagi bahwa mereka berevolusi dari karnivora ramping mirip hiu yang berenang sekitar 285 juta tahun yang lalu. 

Sekarang para peneliti telah menemukan bagaimana skate mengembangkan profil khas mereka: Penataan ulang dalam urutan DNA skate mengubah struktur 3D genomnya dan mengganggu hubungan kuno antara gen perkembangan kunci dan urutan pengatur yang mengaturnya. Perubahan itu pada gilirannya merancang ulang rencana tubuh hewan itu. Para ilmuwan melaporkan temuan mereka in Alam pada bulan April.

Penemuan ini memecahkan misteri transformasi evolusi sepatu roda dengan menyematkannya pada mekanisme genetik yang mengarahkan perkembangan. "Catatan fosil memberi tahu Anda bahwa perubahan ini terjadi, tetapi bagaimana sebenarnya itu terjadi?" dikatakan Chris Amemiya, seorang ahli genetika molekuler di University of California, Merced yang tidak terlibat dalam studi baru ini. “Ini adalah pertanyaan evo-devo klasik.”

Untuk mengungkap asal-usul bentuk tubuh skates yang baru, beberapa tahun yang lalu ahli genomik evolusioner José Luis Gómez-Skarmeta mengumpulkan tim peneliti genomik internasional yang beragam dan ahli biologi perkembangan evolusioner. Sebuah tim diperlukan sebagian karena langkah pertama adalah mengurutkan dan menyusun genom skate, dan menyusun genom ikan bertulang rawan seperti skate dan hiu sangat sulit.

“Mereka benar-benar sulit disatukan, karena sangat besar – seringkali lebih besar dari genom manusia,” kata Melanie Debiais-Thibaud, ahli genetika perkembangan evolusioner di Universitas Montpellier di Prancis yang tidak terlibat dalam penelitian ini.

Untuk pekerjaan mereka, tim memilih skate kecil (Leucoraja erinacea), yang mudah dikumpulkan di sepanjang pantai Atlantik Amerika Utara. Itu juga dapat dipelihara di laboratorium, yang memungkinkan untuk menjalankan eksperimen perkembangan dan fungsional pada hewan sebagai bagian dari proyek. 

Dengan membandingkan genom skate kecil dengan genom vertebrata lain, para peneliti menentukan bahwa genom skate umumnya tetap sangat mirip dengan nenek moyang vertebrata mereka pada tingkat urutan. Namun, ada beberapa penataan ulang penting yang akan memengaruhi struktur 3D genom. Dalam DNA individu, penataan ulang seperti itu dapat menyebabkan penyakit dengan membuang regulasi gen. Penemuan itu membuat para peneliti bertanya-tanya apakah penataan ulang pada skate mungkin juga mengganggu instruksi genetik asli untuk bentuk tubuh mereka. 

Mendobrak Batas

Jika Anda melihat urutan DNA dari sebuah kromosom, gen-gen di dalamnya dapat terlihat sangat jauh dari urutan pendek “penambah” yang mengatur aktivitas gen-gen tersebut. Namun, dalam praktiknya, karena cara DNA dalam inti sel melilit, melipat, dan berputar ke belakang dengan sendirinya, mereka seringkali tidak berjauhan sama sekali.

Pada vertebrata, set gen yang terkait secara fungsional dan penambahnya secara fisik dikelompokkan bersama dalam tiga dimensi dalam unit yang disebut domain asosiasi topologi, atau TAD. Wilayah batas membantu memastikan bahwa peningkat hanya bekerja pada gen di TAD yang sama.

Namun, ketika penataan ulang genom utama terjadi - seperti yang dilihat tim dalam DNA skate - batas bisa hilang, dan posisi relatif gen pada kromosom bisa berubah. Akibatnya, “beberapa peningkat dapat memberikan instruksi pada gen yang salah,” jelasnya Dario Lupiáñez, seorang ahli biologi evolusi di Max Delbrück Center di Berlin dan salah satu penulis senior studi tersebut.

Tampaknya mungkin bahwa perubahan dalam arsitektur 3D genom seluncur mungkin telah mengganggu blok gen kuno yang diwarisi seluncur dari nenek moyangnya yang mirip hiu, memengaruhi fungsi gen. "Kami sedang mencoba untuk melihat apakah beberapa penataan ulang genom di skate kecil benar-benar memecahkan hambatan ini," kata Ferdinand Marletaz, seorang ahli genom di University College London dan rekan penulis pertama studi tersebut.

Para peneliti mengidentifikasi penataan ulang genom pada skate kecil yang tidak ada pada vertebrata lain. Kemudian mereka mempersempit fokus mereka ke perubahan yang tampaknya paling mungkin memengaruhi integritas TAD, berdasarkan urutan genom.

Upaya tersebut membawa mereka ke penataan ulang yang mereka perkirakan akan menghilangkan batas TAD yang mengatur sistem perkembangan yang disebut jalur polaritas sel planar (PCP). Mereka tidak menyangka bahwa: Tidak ada tentang fungsi yang diketahui dari jalur PCP yang segera menyarankan bahwa itu akan mengatur perkembangan sirip. Sebagian besar, itu membentuk bentuk dan orientasi sel dalam embrio.

Lingkungan Genetik Baru

Untuk menguji dampak potensial dari perubahan TAD pada perkembangan sirip, Tetsuya Nakamura, seorang ahli biologi perkembangan evolusioner di Universitas Rutgers, memaparkan embrio seluncur kecil ke penghambat jalur PCP. Tepi anterior (depan) sirip mereka sangat berubah dan tidak tumbuh menyatu dengan kepala seperti biasanya. Ini menunjukkan bahwa gangguan TAD leluhur telah menghasilkan sirip khas skate dengan mengaktifkan gen PCP di bagian tubuh yang baru.

“Penataan ulang TAD ini pada dasarnya mengubah seluruh lingkungan gen dan membawa penguat baru ke sekitar gen tersebut,” kata Lupiáñez.

Tapi itu bukan satu-satunya perubahan genom yang relevan yang ditemukan para peneliti. Mereka juga mengidentifikasi mutasi pada enhancer yang mengatur ekspresi beberapa gen pada perkembangan penting hox kelompok. hoks gen menentukan rencana tubuh umum di semua hewan simetris bilateral. Salah satu subset dari mereka, the tipuan gugus gen, biasanya diekspresikan hanya di tepi posterior (belakang) sirip yang sedang berkembang dan di tungkai, di mana ia menentukan pembentukan digit.

Di skate kecil, the tipuan gen aktif di bagian posterior dan anterior sirip. Seolah-olah zona pertumbuhan di sepanjang bagian belakang sirip telah digandakan di sepanjang bagian depan, sehingga hewan tersebut membuat satu set struktur baru di bagian depan sirip yang simetris dengan struktur di bagian belakang, kata Debiais-Thibaud.

Nakamura menunjukkan bahwa penambah mutasi skate menyebabkan hal baru ini tipuan pola ekspresi. Dia menggabungkan penambah skate dengan gen untuk protein fluoresen dan kemudian memasukkan kombinasi gen tersebut ke dalam embrio ikan zebra. Sirip dada ikan tumbuh tidak normal, dan fluoresensi muncul di sepanjang tepi depan dan belakang, yang menunjukkan bahwa penambah skate sedang mengemudi. tipuan ekspresi di kedua bagian sirip. Ketika Nakamura mengulangi percobaan dengan penambah dari hiu, pertumbuhan sirip tidak terpengaruh dan fluoresensi terbatas pada posterior.

“Jadi sekarang kami berpikir bahwa mutasi genetik terjadi secara khusus pada penambah skate, dan itu bisa unik hox ekspresi gen pada sirip skate,” kata Nakamura.

Dibentuk untuk Cara Hidup Baru

Dalam gambar evolusi skate yang telah direkonstruksi oleh para peneliti, di beberapa titik setelah garis keturunan skate menyimpang dari hiu, mereka memperoleh mutasi pada penambah yang membuat mereka tipuan gen aktif di bagian depan dan belakang sirip dada mereka. Dan di dalam jaringan baru yang tumbuh di sepanjang bagian depan sirip, penataan ulang genom menyebabkan jalur PCP diaktifkan oleh enhancer di TAD yang berbeda, yang memiliki efek lebih lanjut membuat sirip memanjang ke depan dan menyatu dengan kepala hewan.

“Dengan membentuk struktur seperti sayap, [sepatu luncur] sekarang dapat menghuni relung ekologis yang berbeda, dasar lautan,” jelas Amemiya.

Ikan pari, manta, dan pari lainnya berkerabat dekat dengan skate (mereka semua diklasifikasikan sebagai ikan "batoid"), dan bentuknya yang mirip panekuk mungkin disebabkan oleh penataan ulang genom yang sama. Akan tetapi, ikan pari juga telah memodifikasi sirip mirip sayapnya dengan cara yang pada dasarnya memungkinkan mereka terbang di air. “Ikan skate memiliki gelombang sirip dan tetap berada di dasar, tetapi pari manta dapat muncul ke permukaan dan memiliki cara bergerak yang sangat berbeda,” kata Amemiya.

Meskipun ahli biologi perkembangan evolusi sebelumnya berspekulasi bahwa perubahan dalam arsitektur 3D genom ini mungkin terjadi, ini mungkin salah satu makalah pertama yang secara jelas menghubungkannya dengan perubahan bentuk tubuh yang cukup besar, kata Marletaz.

Lupiáñez juga percaya bahwa temuan tersebut memiliki makna yang jauh melampaui pemahaman tentang skate. “Ini adalah cara berpikir yang benar-benar baru tentang evolusi,” katanya. Penataan ulang struktural “dapat menyebabkan gen diaktifkan di tempat yang tidak seharusnya.” Dia menambahkan: "Ini bisa menjadi mekanisme penyakit, tetapi juga bisa berfungsi sebagai pendorong evolusi."