Hvordan 3D-endringer i genomet gjorde haier til skøyter | Quanta Magazine

De marine skapningene som kalles skøyter, skumler langs havbunnen og rister de vingelignende brystfinnene for å drive seg frem og hisse opp små skapninger som gjemmer seg i sanden. Deres uvanlige flate kroppsplan gjør dem til en av de merkeligste fiskefamiliene i havet, og det virker enda merkeligere at de utviklet seg fra strømlinjeformede, hailignende rovdyr som svømte for rundt 285 millioner år siden. 

Nå har forskere oppdaget hvordan skøyter utviklet sin særegne profil: Omorganiseringer i skøytens DNA-sekvens endret 3D-strukturen til genomet og forstyrret eldgamle forbindelser mellom viktige utviklingsgener og de regulatoriske sekvensene som styrte dem. Disse endringene omformulerte igjen dyrets kroppsplan. Forskerne rapporterte sine funn in Natur i april.

Oppdagelsen løser mysteriet med skøytenes evolusjonære transformasjon ved å feste den på genetiske mekanismer som styrer utviklingen. "Fossilregisteret forteller deg at denne endringen skjedde, men hvordan skjedde den egentlig?" sa Chris Amemiya, en molekylær genetiker ved University of California, Merced som ikke var involvert i den nye studien. "Dette er et klassisk evo-devo-spørsmål."

For å avdekke opprinnelsen til skøytenes nye kroppsform, for noen år siden den evolusjonære genomikeren José Luis Gómez-Skarmeta satt sammen et mangfoldig internasjonalt team av genomikkforskere og evolusjonære utviklingsbiologer. Det var nødvendig med et team delvis fordi det første trinnet ville være å sekvensere og sette sammen genomet til en skøyte, og å kompilere genomene til bruskfisk som skøyter og haier er ufattelig vanskelig.

"De er veldig vanskelige å sette sammen, fordi de er enorme - ofte større enn det menneskelige genomet," sa Mélanie Debiais-Thibaud, en evolusjonær utviklingsgenetiker ved universitetet i Montpellier i Frankrike som ikke var involvert i arbeidet.

For sitt arbeid valgte teamet den lille skøyten (Leucoraja erinacea), som enkelt samles langs Atlanterhavskysten i Nord-Amerika. Den kan også oppdrettes i et laboratorium, noe som gjorde det mulig å drive utviklings- og funksjonsforsøk på dyrene som en del av prosjektet. 

Ved å sammenligne genomet til den lille skøyten med genomet til andre virveldyr, fastslo forskerne at skøytegenomet generelt har holdt seg veldig likt det til deres virveldyrforfedre på sekvensnivå. Imidlertid var det noen få bemerkelsesverdige omorganiseringer som ville ha påvirket genomets 3D-struktur. I DNA til individer kan slike omorganiseringer forårsake sykdommer ved å kaste av seg genregulering. Oppdagelsen førte til at forskerne lurte på om omorganiseringen av skøyter på samme måte kan ha forstyrret de opprinnelige genetiske instruksjonene for kroppsplanen deres. 

Å bryte ned grensene

Hvis du ser på DNA-sekvensen til et kromosom, kan genene i det virke overraskende langt unna de korte "enhancer"-sekvensene som regulerer aktiviteten til disse genene. I praksis, men på grunn av hvordan DNA i en cellekjerne spoler, folder og går tilbake på seg selv, er de ofte ikke langt fra hverandre i det hele tatt.

Hos virveldyr er sett med funksjonelt beslektede gener og deres forsterkere fysisk gruppert sammen i tre dimensjoner i enheter kalt topologisk assosierende domener, eller TADs. Grenseområder bidrar til å sikre at forsterkere kun virker på gener i samme TAD.

Men når store genom-omorganiseringer skjer - som de som teamet så i skøytens DNA - kan grenser gå tapt, og de relative posisjonene til gener på kromosomer kan endres. Som et resultat kan "noen forsterkere gi instruksjoner til feil gen," forklarte Dario Lupiáñez, en evolusjonsbiolog ved Max Delbrück-senteret i Berlin og en av seniorforfatterne av studien.

Det virket mulig at endringene i 3D-arkitekturen til skøytegenomet kan ha forstyrret de eldgamle blokkene av gener skøytene arvet fra sine hailignende forfedre, og påvirket genenes funksjon. "Vi prøvde å se på om noen genomomorganiseringer i den lille skøyten faktisk bryter disse blokkene," sa Ferdinand Marlétaz, en genomiker ved University College London og medforfatter av studien.

Forskerne identifiserte genomomorganiseringer i den lille skøyten som ikke var til stede hos noen andre virveldyr. Deretter begrenset de fokuset til endringene som virket mest sannsynlig å påvirke integriteten til TAD-ene, basert på genomsekvensene.

Innsatsen førte dem til en omorganisering som de spådde ville eliminere grensen til en TAD som regulerer et utviklingssystem kalt plancellepolaritet (PCP). De hadde ikke forventet det: Ingenting om de kjente funksjonene til PCP-banen antydet umiddelbart at den ville regulere finneutviklingen. For det meste etablerer det formen og orienteringen til celler i embryoer.

Et nytt genetisk nabolag

For å teste ut den potensielle effekten av TAD-endringen på finneutviklingen, Tetsuya Nakamura, en evolusjonær utviklingsbiolog ved Rutgers University, utsatte små skøyteembryoer for en hemmer av PCP-veien. Den fremre (fremre) kanten av finnene deres var sterkt endret og vokste ikke ut til å slutte seg til hodet som normalt. Det antydet at forstyrrelsen av den forfedres TAD hadde produsert skøytens karakteristiske finner ved å aktivere PCP-gener i en ny del av kroppen.

"Denne omorganiseringen av TAD endrer i utgangspunktet hele miljøet til genet og bringer nye forsterkere inn i nærheten av genet," sa Lupiáñez.

Men det var ikke den eneste relevante genomendringen forskerne fant. De identifiserte også en mutasjon i en forsterker som regulerer uttrykket av noen gener i utviklingsmessig viktig Hox gruppen. Hox gener spesifiserer den generelle kroppsplanen i alle bilateralt symmetriske dyr. En undergruppe av dem, den hoxa genklynge, uttrykkes vanligvis bare i de bakre (bak) kantene av de utviklende finnene og i lemmer, hvor det spesifiserer dannelsen av sifre.

I den lille skøyten, den hoxa gener var aktive i både bakre og fremre del av finnen. Det var som om vekstsonen langs finnens bakside hadde blitt duplisert langs fronten, slik at dyret laget et nytt sett med strukturer på fremsiden av finnen som var symmetrisk med strukturer på baksiden, sa Debiais-Thibaud.

Nakamura viste at skøytens muterte forsterker var årsaken til dette nye hoxa uttrykksmønster. Han kombinerte skøytens forsterker med et gen for et fluorescerende protein og satte deretter inn genkombinasjonen i sebrafiskembryoer. Fiskens brystfinner vokste unormalt, og fluorescens viste seg langs både for- og bakkanten, noe som viste at skøytens forsterker drev hoxa uttrykk i begge deler av finnen. Da Nakamura gjentok forsøket med en forsterker fra en hai, var finneveksten upåvirket og fluorescensen begrenset til baksiden.

"Så nå tenker vi at de genetiske mutasjonene skjedde spesifikt i skøyteforsterkeren, og det kan drive unike Hox genuttrykk i skatefinner," sa Nakamura.

Formet for nye måter å leve på

I bildet av skate-evolusjon som forskerne har rekonstruert, på et tidspunkt etter at skate-avstamningen divergerte fra haier, fikk de en mutasjon i en forsterker som gjorde at hoxa gener som er aktive både foran og bak på brystfinnene. Og i det nye vevene som vokste langs den fremre delen av finnen, førte omorganiseringer av genomet til at PCP-banen ble aktivert av forsterkere i en annen TAD, noe som hadde den videre effekten av å få finnen til å strekke seg fremover og smelte sammen med dyrets hode.

"Ved å danne den vingelignende strukturen, er [skøytene] i stand til å bebo en helt annen økologisk nisje, bunnen av havet," forklarte Amemiya.

Rokker, mantas og andre rokker er nært beslektet med skøyter (de er alle klassifisert som "batoide" fisker), og deres lignende pannekakeform skyldes sannsynligvis de samme genomomorganiseringene. Strålene har imidlertid også modifisert sine vingelignende finner på måter som i utgangspunktet lar dem fly gjennom vannet. "Skøytene har disse bølgene av finnen og holder seg på bunnen, men mantastråler kan komme til overflaten og ha en helt annen måte å bevege seg på," sa Amemiya.

Selv om evolusjonære utviklingsbiologer tidligere har spekulert i at disse endringene i 3D-arkitekturen til et genom kan være mulig, er dette sannsynligvis en av de første artikler som tydelig knytter dem til ganske store endringer i kroppsform, sa Marlétaz.

Lupiáñez mener også funnene har en betydning som strekker seg langt utover forståelsen av skøyter. "Dette er en helt ny måte å tenke evolusjon på," sa han. Strukturelle omorganiseringer "kan føre til at et gen aktiveres på et sted der det ikke burde være." Han la til: "Dette kan være en sykdomsmekanisme, men det kan også tjene som en drivkraft for evolusjon."