Jak zmiany 3D w genomie zmieniły rekiny w łyżwy | Magazyn Quanta

Morskie stworzenia zwane łyżwami ślizgają się po dnie morskim, poruszając przypominającymi skrzydła płetwami piersiowymi, aby się poruszać i pobudzać małe stworzenia ukrywające się w piasku. Ich niezwykły spłaszczony plan ciała czyni je jedną z najdziwniejszych rodzin ryb w morzu, a jeszcze dziwniejsze wydaje się to, że wyewoluowały z opływowych, przypominających rekiny mięsożerców, które pływały około 285 milionów lat temu. 

Teraz naukowcy odkryli, w jaki sposób łyżwy wyewoluowały swój charakterystyczny profil: zmiany w sekwencji DNA łyżew zmieniły trójwymiarową strukturę jej genomu i zakłóciły starożytne połączenia między kluczowymi genami rozwojowymi a sekwencjami regulatorowymi, które nimi rządziły. Te zmiany z kolei przeredagowały plan ciała zwierzęcia. Naukowcy zgłosili swoje ustalenia in Natura w kwietniu.

Odkrycie rozwiązuje zagadkę ewolucyjnej transformacji łyżew, wiążąc ją z genetycznymi mechanizmami kierującymi rozwojem. „Zapis kopalny mówi ci, że nastąpiła ta zmiana, ale jak to się właściwie stało?” powiedział Chrisa Amemiya, genetyk molekularny z University of California, Merced, który nie był zaangażowany w nowe badanie. „To klasyczne pytanie evo-devo”.

Aby odkryć pochodzenie nowego kształtu ciała łyżew, kilka lat temu genomik ewolucyjny José Luisa Gómeza-Skarmeta zgromadził zróżnicowany międzynarodowy zespół badaczy genomiki i biologów ewolucyjnych. Zespół był potrzebny częściowo dlatego, że pierwszym krokiem byłoby zsekwencjonowanie i złożenie genomu łyżwy, a kompilacja genomów ryb chrzęstnoszkieletowych, takich jak raje i rekiny, jest niesamowicie trudna.

„Naprawdę trudno je złożyć, ponieważ są ogromne – często większe niż ludzki genom” – powiedział Melanie Debiais-Thibaud, ewolucyjnego genetyka rozwojowego z Uniwersytetu w Montpellier we Francji, który nie był zaangażowany w te prace.

Do swojej pracy zespół wybrał małą łyżwę (Leucoraja erinacea), który jest łatwo zbierany wzdłuż atlantyckiego wybrzeża Ameryki Północnej. Można go również hodować w laboratorium, co w ramach projektu umożliwiło przeprowadzenie na zwierzętach eksperymentów rozwojowych i funkcjonalnych. 

Porównując genom łyżwy z genomami innych kręgowców, naukowcy ustalili, że genom łyżwy ogólnie pozostaje bardzo podobny do genomu ich przodków kręgowców na poziomie sekwencji. Jednak było kilka znaczących rearanżacji, które wpłynęłyby na trójwymiarową strukturę genomu. W DNA poszczególnych osobników takie przegrupowania mogą powodować choroby poprzez odrzucanie regulacji genów. Odkrycie to skłoniło naukowców do zastanowienia się, czy przegrupowania łyżew mogły w podobny sposób zakłócić pierwotne instrukcje genetyczne dotyczące ich budowy ciała. 

Przełamywanie granic

Jeśli spojrzysz na sekwencję DNA chromosomu, zawarte w nim geny mogą wydawać się zaskakująco odległe od krótkich sekwencji „wzmacniających”, które regulują aktywność tych genów. W praktyce jednak, ze względu na sposób, w jaki DNA w jądrze komórkowym zwija się, fałduje i zapętla, często wcale nie są od siebie daleko.

U kręgowców zestawy funkcjonalnie powiązanych genów i ich wzmacniaczy są fizycznie zgrupowane razem w trzech wymiarach w jednostkach zwanych topologicznie asocjacyjnymi domenami lub TAD. Regiony graniczne pomagają zapewnić, że wzmacniacze działają tylko na geny w tym samym TAD.

Jednakże, gdy wystąpią poważne rearanżacje genomu – takie jak te, które zespół zaobserwował w DNA łyżwy – granice mogą zostać utracone, a względne pozycje genów na chromosomach mogą się zmienić. W rezultacie „niektóre wzmacniacze mogą przekazywać instrukcje niewłaściwemu genowi” — wyjaśnił Dario Lupianez, biolog ewolucyjny z Centrum Maxa Delbrücka w Berlinie i jeden z głównych autorów badania.

Wydawało się możliwe, że zmiany w architekturze 3D genomu łyżwy mogły zakłócić starożytne bloki genów, które łyżwy odziedziczyły po swoich rekinowych przodkach, wpływając na funkcję genów. „Próbowaliśmy sprawdzić, czy niektóre rearanżacje genomu małej łyżwy rzeczywiście łamią te bloki” – powiedział Ferdynanda Marletaza, genomik z University College London i współautor badania.

Naukowcy zidentyfikowali rearanżacje genomu małej łyżwy, które nie występowały u innych kręgowców. Następnie skupili się na zmianach, które najprawdopodobniej wpłynęły na integralność TAD, w oparciu o sekwencje genomu.

Wysiłek doprowadził ich do przegrupowania, które, jak przewidywali, wyeliminuje granicę TAD, która reguluje system rozwojowy zwany szlakiem polaryzacji komórek planarnych (PCP). Nie spodziewali się tego: nic w znanych funkcjach ścieżki PCP nie sugerowało od razu, że reguluje ona rozwój płetw. Przede wszystkim ustala kształt i orientację komórek w zarodkach.

Nowe sąsiedztwo genetyczne

Aby przetestować potencjalny wpływ zmiany TAD na rozwój płetw, Tetsuyi Nakamury, biolog ewolucyjny zajmujący się rozwojem na Uniwersytecie Rutgers, wystawił małe zarodki łyżwy na działanie inhibitora szlaku PCP. Przednia (przednia) krawędź ich płetw była silnie zmieniona i nie wyrosła, aby połączyć się z głową, jak zwykle. Sugeruje to, że zakłócenie przodków TAD spowodowało wytworzenie charakterystycznych płetw łyżwy poprzez aktywację genów PCP w nowej części ciała.

„To przegrupowanie TAD zasadniczo zmienia całe środowisko genu i wprowadza nowe wzmacniacze w jego okolice” – powiedział Lupiáñez.

Ale to nie była jedyna istotna zmiana genomu, którą odkryli naukowcy. Zidentyfikowali również mutację we wzmacniaczu, która reguluje ekspresję niektórych genów w ważnych rozwojowo HOX grupa. Hox geny określają ogólny plan ciała u wszystkich dwustronnie symetrycznych zwierząt. Jeden z nich, tzw hoksa skupisko genów, jest zwykle wyrażane tylko na tylnych (tylnych) krawędziach rozwijających się płetw i na kończynach, gdzie określa kształtowanie się palców.

W małej łyżwie, hoksa geny były aktywne zarówno w tylnej, jak i przedniej części płetwy. To było tak, jakby strefa wzrostu wzdłuż tylnej części płetwy została zduplikowana wzdłuż przodu, tak że zwierzę stworzyło nowy zestaw struktur na przedniej części płetwy, który był symetryczny ze strukturami na tylnej części, powiedział Debiais-Thibaud.

Nakamura pokazał, że zmutowany wzmacniacz łyżwy powodował to nowe hoksa wzór wypowiedzi. Połączył wzmacniacz łyżwy z genem białka fluorescencyjnego, a następnie wstawił tę kombinację genów do zarodków danio pręgowanego. Płetwy piersiowe ryby rosły nienormalnie, a wzdłuż ich przedniej i tylnej krawędzi pojawiła się fluorescencja, co wskazywało, że wzmacniacz łyżwy napędzał hoksa wyraz w obu częściach płetwy. Kiedy Nakamura powtórzył eksperyment ze wzmacniaczem pochodzącym od rekina, wzrost płetw pozostał nienaruszony, a fluorescencja była ograniczona do tylnej części.

„Teraz myślimy, że mutacje genetyczne wystąpiły konkretnie we wzmacniaczu łyżwy i to może prowadzić do unikalności HOX ekspresji genów w płetwach łyżwy” – powiedział Nakamura.

Ukształtowany dla nowych sposobów życia

Na obrazie ewolucji łyżew, który naukowcy zrekonstruowali, w pewnym momencie po tym, jak linia łyżew oddzieliła się od rekinów, uzyskali mutację we wzmacniaczu, która sprawiła, że ​​ich hoksa geny aktywne zarówno z przodu, jak iz tyłu ich płetw piersiowych. A w nowych tkankach rosnących wzdłuż przedniej części płetwy rearanżacje genomu spowodowały aktywację szlaku PCP przez wzmacniacze w innym TAD, co miało dalszy efekt w postaci wysunięcia płetwy do przodu i stopienia się z głową zwierzęcia.

„Tworząc strukturę przypominającą skrzydła, [łyżwy] mogą teraz zamieszkiwać zupełnie inną niszę ekologiczną, dno oceanu” – wyjaśnił Amemiya.

Płaszczki, manty i inne promienie są blisko spokrewnione z łyżwami (wszystkie są klasyfikowane jako ryby „batoidy”), a ich podobnie naleśnikowaty kształt jest prawdopodobnie spowodowany tymi samymi rearanżacjami genomu. Jednak promienie zmodyfikowały również ich płetwy przypominające skrzydła w sposób, który zasadniczo pozwala im latać w wodzie. „Łyżwy mają te pofałdowane płetwy i pozostają na dnie, ale manty mogą wypłynąć na powierzchnię i mieć zupełnie inny sposób poruszania się” – powiedział Amemiya.

Chociaż biolodzy ewolucyjni zajmujący się rozwojem już wcześniej spekulowali, że te zmiany w architekturze 3D genomu mogą być możliwe, jest to prawdopodobnie jedna z pierwszych prac, które wyraźnie łączą je z dość dużymi zmianami w kształcie ciała, powiedział Marlétaz.

Lupiáñez uważa również, że odkrycia mają znaczenie wykraczające daleko poza zrozumienie łyżew. „To zupełnie nowy sposób myślenia o ewolucji” – powiedział. Przegrupowania strukturalne „mogą spowodować aktywację genu w miejscu, w którym nie powinien”. Dodał: „Może to być mechanizm choroby, ale może również służyć jako siła napędowa ewolucji”.