Come i cambiamenti 3D nel genoma hanno trasformato gli squali in pattini | Rivista Quanta

Le creature marine chiamate pattini sfiorano il fondo del mare, increspando le loro pinne pettorali simili ad ali per spingersi e per sollevare piccole creature nascoste nella sabbia. La loro insolita struttura corporea appiattita li rende una delle più strane famiglie di pesci del mare, e sembra ancora più strano che si siano evoluti da carnivori aerodinamici simili a squali che nuotavano circa 285 milioni di anni fa. 

Ora i ricercatori hanno scoperto come i pattini hanno evoluto il loro profilo distintivo: i riarrangiamenti nella sequenza del DNA dei pattini hanno alterato la struttura 3D del suo genoma e interrotto le antiche connessioni tra i geni chiave dello sviluppo e le sequenze regolatrici che li governavano. Quei cambiamenti a loro volta hanno riformulato il piano corporeo dell'animale. Gli scienziati riportato le loro scoperte in Natura nel mese di aprile.

La scoperta risolve il mistero della trasformazione evolutiva dei pattini attribuendola ai meccanismi genetici che ne guidano lo sviluppo. "La documentazione sui fossili ti dice che questo cambiamento è avvenuto, ma come si è effettivamente verificato?" disse Chris Amemiya, un genetista molecolare dell'Università della California, Merced, che non è stato coinvolto nel nuovo studio. "Questa è una classica domanda evo-devo."

Per scoprire le origini della nuova forma del corpo dei pattini, qualche anno fa il genomista evoluzionista José Luis Gomez-Skarmeta ha riunito un team internazionale eterogeneo di ricercatori di genomica e biologi evolutivi dello sviluppo. Era necessaria una squadra in parte perché il primo passo sarebbe stato quello di sequenziare e assemblare il genoma di una razza, e compilare i genomi di pesci cartilaginei come razze e squali è incredibilmente difficile.

"Sono davvero difficili da mettere insieme, perché sono enormi, spesso più grandi del genoma umano", ha detto Mélanie Debiais-Thibaud, un genetista evolutivo dello sviluppo presso l'Università di Montpellier in Francia che non è stato coinvolto nel lavoro.

Per il loro lavoro, il team ha selezionato il piccolo pattino (Leucoraja erinacea), che si raccoglie facilmente lungo la costa atlantica del Nord America. Può anche essere allevato in un laboratorio, che ha permesso di eseguire esperimenti di sviluppo e funzionali sugli animali come parte del progetto. 

Confrontando il genoma del piccolo skate con i genomi di altri vertebrati, i ricercatori hanno determinato che il genoma del skate è generalmente rimasto molto simile a quello dei loro antenati vertebrati a livello di sequenza. Tuttavia, ci sono stati alcuni notevoli riarrangiamenti che avrebbero influenzato la struttura 3D del genoma. Nel DNA degli individui, tali riarrangiamenti possono causare malattie alterando la regolazione genica. La scoperta ha portato i ricercatori a chiedersi se i riarrangiamenti nei pattini potrebbero aver interrotto in modo simile le istruzioni genetiche originali per il loro piano corporeo. 

Abbattere i confini

Se si osserva la sequenza del DNA di un cromosoma, i geni in esso contenuti possono sembrare sorprendentemente lontani dalle brevi sequenze "potenziatori" che regolano l'attività di quei geni. In pratica, però, a causa del modo in cui il DNA nel nucleo di una cellula si avvolge, si piega e si avvolge su se stesso, spesso non sono affatto distanti.

Nei vertebrati, insiemi di geni funzionalmente correlati e dei loro potenziatori sono fisicamente raggruppati insieme in tre dimensioni in unità chiamate domini di associazione topologica o TAD. Le regioni di confine aiutano a garantire che i potenziatori agiscano solo sui geni nello stesso TAD.

Tuttavia, quando si verificano importanti riarrangiamenti del genoma, come quelli che il team stava vedendo nel DNA del pattino, i confini possono essere persi e le posizioni relative dei geni sui cromosomi possono cambiare. Di conseguenza, "alcuni potenziatori possono fornire istruzioni al gene sbagliato", ha spiegato Dario Lupiañez, biologo evoluzionista presso il Max Delbrück Center di Berlino e uno degli autori senior dello studio.

Sembrava possibile che i cambiamenti nell'architettura 3D del genoma dei pattini potessero aver interrotto gli antichi blocchi di geni che i pattini avevano ereditato dai loro antenati simili a squali, influenzando la funzione dei geni. "Stavamo cercando di vedere se alcuni riarrangiamenti del genoma nel piccolo pattino rompono effettivamente questi blocchi", ha detto Ferdinand Marlétaz, un genomista dell'University College di Londra e co-primo autore dello studio.

I ricercatori hanno identificato riarrangiamenti del genoma nel piccolo pattino che non erano presenti in nessun altro vertebrato. Quindi hanno ristretto la loro attenzione ai cambiamenti che sembravano più probabili influenzare l'integrità dei TAD, sulla base delle sequenze del genoma.

Lo sforzo li ha portati a un riarrangiamento che, secondo loro, avrebbe eliminato il confine di un TAD che regola un sistema di sviluppo chiamato percorso della polarità cellulare planare (PCP). Non se lo aspettavano: nulla delle funzioni note del percorso PCP suggeriva immediatamente che avrebbe regolato lo sviluppo delle pinne. Principalmente, stabilisce la forma e l'orientamento delle cellule negli embrioni.

Un nuovo vicinato genetico

Per testare il potenziale impatto della modifica del TAD sullo sviluppo delle pinne, Tetsuya Nakamura, un biologo evoluzionista dello sviluppo presso la Rutgers University, ha esposto piccoli embrioni di razza a un inibitore della via PCP. Il bordo anteriore (anteriore) delle loro pinne era fortemente alterato e non cresceva per unirsi alla testa come farebbe normalmente. Ha suggerito che l'interruzione del TAD ancestrale avesse prodotto le pinne distintive del pattino attivando i geni PCP in una nuova parte del corpo.

"Questo riarrangiamento del TAD sostanzialmente cambia l'intero ambiente del gene e porta nuovi esaltatori nelle vicinanze del gene", ha detto Lupiáñez.

Ma quello non era l'unico cambiamento rilevante del genoma che i ricercatori hanno trovato. Hanno anche identificato una mutazione in un potenziatore che regola l'espressione di alcuni geni importanti per lo sviluppo Hox gruppo. hox i geni specificano il piano generale del corpo in tutti gli animali a simmetria bilaterale. Un sottoinsieme di essi, il hoxa gene cluster, è solitamente espresso solo nei bordi posteriori (posteriori) delle pinne in via di sviluppo e negli arti, dove specifica la formazione delle dita.

Nel piccolo pattino, il hoxa i geni erano attivi sia nella parte posteriore che in quella anteriore della pinna. Era come se la zona di crescita lungo la parte posteriore della pinna fosse stata duplicata lungo la parte anteriore, in modo che l'animale creasse una nuova serie di strutture sulla parte anteriore della pinna che era simmetrica con le strutture sulla parte posteriore, ha detto Debiais-Thibaud.

Nakamura ha mostrato che il potenziatore mutato dello skate stava causando questo nuovo hoxa modello di espressione. Ha combinato il potenziatore dello skate con un gene per una proteina fluorescente e poi ha inserito quella combinazione di geni negli embrioni di pesce zebra. Le pinne pettorali del pesce sono cresciute in modo anomalo e la fluorescenza è apparsa lungo entrambi i bordi anteriore e posteriore, il che ha mostrato che il potenziatore del pattino stava guidando hoxa espressione in entrambe le parti della pinna. Quando Nakamura ha ripetuto l'esperimento con un potenziatore di uno squalo, la crescita delle pinne non è stata influenzata e la fluorescenza è stata limitata alla parte posteriore.

“Quindi ora stiamo pensando che le mutazioni genetiche si siano verificate specificamente nel potenziatore dello skate e che possano guidare in modo unico Hox espressione genica nelle pinne da skate", ha detto Nakamura.

Modellato per nuovi modi di vivere

Nel quadro dell'evoluzione dei pattini che i ricercatori hanno ricostruito, a un certo punto dopo che il lignaggio dei pattini si è discostato dagli squali, hanno acquisito una mutazione in un potenziatore che ha reso il loro hoxa geni attivi sia nella parte anteriore che in quella posteriore delle loro pinne pettorali. E all'interno dei nuovi tessuti che crescono lungo la parte anteriore della pinna, i riarrangiamenti del genoma hanno causato l'attivazione del percorso PCP da potenziatori in un TAD diverso, che ha avuto l'ulteriore effetto di far estendere la pinna in avanti e fondersi con la testa dell'animale.

"Formando la struttura simile ad un'ala, [i pattini] sono ora in grado di abitare una nicchia ecologica completamente diversa, il fondo dell'oceano", ha spiegato Amemiya.

Razze, mante e altri raggi sono strettamente imparentati con i pattini (sono tutti classificati come pesci "batoid") e la loro forma simile a frittella è probabilmente dovuta agli stessi riarrangiamenti del genoma. I raggi, tuttavia, hanno anche modificato le loro pinne simili ad ali in modi che sostanzialmente consentono loro di volare attraverso l'acqua. "I pattini hanno queste ondulazioni della pinna e rimangono sul fondo, ma le mante possono venire in superficie e avere un modo di locomozione completamente diverso", ha detto Amemiya.

Sebbene i biologi dello sviluppo evolutivo abbiano precedentemente ipotizzato che questi cambiamenti nell'architettura 3D di un genoma potrebbero essere possibili, questo è probabilmente uno dei primi documenti a collegarli chiaramente a cambiamenti abbastanza grandi nella forma del corpo, ha detto Marlétaz.

Lupiáñez ritiene inoltre che i risultati abbiano un significato che va ben oltre la comprensione dei pattini. "Questo è un modo completamente nuovo di pensare all'evoluzione", ha detto. I riarrangiamenti strutturali "possono causare l'attivazione di un gene in un luogo dove non dovrebbe essere". Ha aggiunto: "Questo può essere un meccanismo di malattia, ma può anche servire come motore dell'evoluzione".