Cum schimbările 3D ale genomului au transformat rechinii în patine | Revista Quanta

Creaturile marine numite patine zboară de-a lungul fundului mării, ondulandu-și aripioarele pectorale pentru a se propulsa și pentru a stârni micile creaturi care se ascund în nisip. Planul lor neobișnuit al corpului aplatizat îi face una dintre cele mai ciudate familii de pești din mare și pare și mai ciudat că au evoluat din carnivore raționalizate, asemănătoare rechinilor, care au înotat acum aproximativ 285 de milioane de ani. 

Acum, cercetătorii au descoperit modul în care patinele și-au evoluat profilul distinctiv: rearanjamentele în secvența ADN a patinelor au alterat structura 3D a genomului său și au întrerupt conexiunile străvechi dintre genele cheie de dezvoltare și secvențele de reglementare care le guvernau. La rândul lor, acele modificări au reformulat planul corporal al animalului. Oamenii de stiinta au raportat constatările lor in Natură în luna aprilie.

Descoperirea rezolvă misterul transformării evolutive a patinelor punându-l pe mecanismele genetice care direcționează dezvoltarea. „Înregistrarea fosilelor vă spune că această schimbare a avut loc, dar cum a avut loc de fapt?” a spus Chris Amemiya, un genetician molecular de la Universitatea din California, Merced, care nu a fost implicat în noul studiu. „Aceasta este o întrebare clasică evo-devo.”

Pentru a descoperi originile formei noi a corpului patinelor, acum câțiva ani, genomistul evoluționist José Luis Gómez-Skarmeta a adunat o echipă internațională diversă de cercetători în genomică și biologi evoluționisti. Era nevoie de o echipă, parțial, pentru că primul pas ar fi secvenția și asamblarea genomului unei patine, iar compilarea genomurilor peștilor cartilaginoși precum patine și rechini este interzis de dificilă.

„Sunt foarte greu de adunat, pentru că sunt uriașe – adesea mai mari decât genomul uman”, a spus Mélanie Debiais-Thibaud, un genetician de dezvoltare evolutivă la Universitatea din Montpellier din Franța, care nu a fost implicat în lucrare.

Pentru munca lor, echipa a ales patina mică (Leucoraja erinacea), care este ușor de colectat de-a lungul coastei atlantice a Americii de Nord. Poate fi crescut și într-un laborator, ceea ce a făcut posibilă desfășurarea experimentelor de dezvoltare și funcționale pe animale, ca parte a proiectului. 

Comparând genomul patinei mici cu genomul altor vertebrate, cercetătorii au stabilit că genomul patinei a rămas în general foarte asemănător cu cel al strămoșilor lor vertebrate la nivel de secvență. Cu toate acestea, au existat câteva rearanjamente notabile care ar fi afectat structura 3D a genomului. În ADN-ul indivizilor, astfel de rearanjamente pot provoca boli prin eliminarea reglementării genelor. Descoperirea i-a determinat pe cercetători să se întrebe dacă rearanjamentele în patine ar fi putut perturba în mod similar instrucțiunile genetice originale pentru planul lor corporal. 

Dărâmarea granițelor

Dacă te uiți la secvența de ADN a unui cromozom, genele din acesta pot părea surprinzător de departe de secvențele scurte „amplificatoare” care reglează activitatea acelor gene. În practică, totuși, din cauza modului în care ADN-ul dintr-un nucleu celular se înfășoară, se pliază și se înfășoară pe el însuși, adesea nu sunt deloc departe unul de celălalt.

La vertebrate, seturi de gene înrudite funcțional și amplificatorii lor sunt grupate fizic împreună în trei dimensiuni în unități numite domenii de asociere topologică sau TAD. Regiunile limită ajută la asigurarea faptului că amplificatorii acționează numai asupra genelor din același TAD.

Cu toate acestea, atunci când au loc rearanjamente majore ale genomului - precum cele pe care echipa le-a văzut în ADN-ul patinelor - limitele pot fi pierdute, iar pozițiile relative ale genelor pe cromozomi se pot schimba. Ca rezultat, „unii potențiatori pot oferi instrucțiuni pentru gena greșită”, a explicat Dario Lupiáñez, un biolog evoluționist la Centrul Max Delbrück din Berlin și unul dintre autorii principali ai studiului.

Părea posibil ca schimbările în arhitectura 3D a genomului patinelor să fi perturbat blocurile antice de gene pe care patinele le-au moștenit de la strămoșii lor asemănătoare rechinilor, afectând funcția genelor. „Am încercat să ne uităm dacă unele rearanjamente ale genomului din patina mică rup aceste blocuri”, a spus. Ferdinand Marlétaz, genomicist la University College London și co-primul autor al studiului.

Cercetătorii au identificat rearanjamente ale genomului la patina mică care nu erau prezente la nicio altă vertebrată. Apoi și-au redus atenția asupra modificărilor care păreau cel mai probabil să afecteze integritatea TAD-urilor, bazate pe secvențele genomului.

Efortul i-a condus la o rearanjare despre care au prezis că va elimina granița unui TAD care reglează un sistem de dezvoltare numit calea polarității celulare plane (PCP). Ei nu s-au așteptat la asta: nimic despre funcțiile cunoscute ale căii PCP nu a sugerat imediat că ar reglementa dezvoltarea aripioarelor. În mare parte, stabilește forma și orientarea celulelor din embrioni.

O nouă vecinătate genetică

Pentru a testa impactul potențial al schimbării TAD asupra dezvoltării aripioarelor, Tetsuya Nakamura, un biolog evolutiv de dezvoltare la Universitatea Rutgers, a expus mici embrioni de patină la un inhibitor al căii PCP. Marginea anterioară (față) a înotătoarelor lor a fost puternic modificată și nu a crescut pentru a se uni cu capul așa cum s-ar întâmpla în mod normal. Acesta a sugerat că întreruperea TAD-ului ancestral a produs aripioarele distinctive ale patinei prin activarea genelor PCP într-o nouă parte a corpului.

„Această rearanjare a TAD schimbă practic întregul mediu al genei și aduce noi amplificatori în vecinătatea genei”, a spus Lupiáñez.

Dar aceasta nu a fost singura modificare relevantă a genomului pe care au descoperit-o cercetătorii. Ei au identificat, de asemenea, o mutație într-un amplificator care reglează expresia unor gene în cele importante din punct de vedere al dezvoltării hox grup. HOX genele specifică planul general al corpului la toate animalele simetrice bilateral. Un subset dintre ele, cel hoxa grupul de gene, se exprimă de obicei numai în marginile posterioare (spate) ale aripioarelor în curs de dezvoltare și în membre, unde specifică formarea degetelor.

În patina mică, cel hoxa genele au fost active atât în ​​partea posterioară, cât și în cea anterioară a aripioarei. A fost ca și cum zona de creștere de-a lungul spatelui înotătoarei ar fi fost duplicată de-a lungul față, astfel încât animalul a făcut un nou set de structuri pe partea anterioară a înotătoarei, care era simetric cu structurile din spate, a spus Debiais-Thibaud.

Nakamura a arătat că amplificatorul mutant al patinei a cauzat acest nou hoxa model de expresie. El a combinat amplificatorul patinei cu o genă pentru o proteină fluorescentă și apoi a introdus acea combinație de gene în embrionii de pește zebră. Înotătoarele pectorale ale peștilor au crescut anormal și a apărut fluorescență de-a lungul marginilor lor de față și de sus, ceea ce a arătat că amplificatorul patinei conducea hoxa expresie în ambele părți ale aripioarei. Când Nakamura a repetat experimentul cu un amplificator de la un rechin, creșterea înotătoarelor a fost neafectată și fluorescența a fost limitată la partea posterioară.

„Așadar, acum ne gândim că mutațiile genetice au avut loc în mod special în amplificatorul de patinaj și asta poate conduce la unic hox expresia genelor în aripioarele patinei”, a spus Nakamura.

Modelat pentru noi moduri de viață

În imaginea evoluției patinelor pe care cercetătorii au reconstruit-o, la un moment dat după ce descendența patinelor s-a îndepărtat de rechini, ei au dobândit o mutație într-un amplificator care le-a făcut hoxa gene active atât în ​​partea din față cât și în spatele înotătoarelor lor pectorale. Și în noile țesuturi care cresc de-a lungul părții anterioare a aripioarei, rearanjamentele genomului au determinat ca calea PCP să fie activată de amplificatori într-un TAD diferit, ceea ce a avut ca efect suplimentar de a face ca aripioare să se extindă înainte și să fuzioneze cu capul animalului.

„Prin formarea unei structuri asemănătoare aripilor, [patinele] sunt acum capabile să locuiască într-o nișă ecologică complet diferită, fundul oceanului”, a explicat Amemiya.

Razele, manta și alte raze sunt strâns legate de patine (toți sunt clasificați ca pești „batoizi”), iar forma lor în mod similar clătite se datorează probabil acelorași rearanjamente ale genomului. Cu toate acestea, razele și-au modificat aripioarele în moduri care, practic, le permit să zboare prin apă. „Patinele au aceste ondulații ale înotătoarei și rămân pe fund, dar razele manta pot ieși la suprafață și au un mod complet diferit de locomoție”, a spus Amemiya.

Deși biologii de dezvoltare evoluționistă au speculat anterior că aceste schimbări în arhitectura 3D a unui genom ar putea fi posibile, aceasta este probabil una dintre primele lucrări care le leagă în mod clar de schimbări destul de mari ale formei corpului, a spus Marlétaz.

Lupiáñez crede, de asemenea, că descoperirile au o semnificație care depășește cu mult o înțelegere a patinelor. „Acesta este un mod complet nou de a gândi despre evoluție”, a spus el. Rearanjamentele structurale „pot determina ca o genă să fie activată într-un loc unde nu ar trebui să fie”. El a adăugat: „Acesta poate fi un mecanism de boală, dar poate servi și ca motor al evoluției”.