как трехмерные изменения в геноме превратили акул в коньков | Журнал Кванта

Морские существа, называемые коньками, скользят по морскому дну, взмахивая крыльями грудных плавников, чтобы двигаться и расшевелить маленьких существ, прячущихся в песке. Их необычное уплощенное телосложение делает их одним из самых странных семейств морских рыб, и кажется еще более странным, что они произошли от обтекаемых, похожих на акул хищников, которые плавали около 285 миллионов лет назад. 

Теперь исследователи выяснили, как у скатов развился их отличительный профиль: перестройки в последовательности ДНК скатов изменили трехмерную структуру их генома и нарушили древние связи между ключевыми генами развития и регуляторными последовательностями, которые ими управляли. Эти изменения, в свою очередь, изменили план тела животного. Ученые сообщили о своих выводах in природа в апреле.

Открытие раскрывает тайну эволюционной трансформации скатов, связывая ее с генетическими механизмами, направляющими развитие. «Летопись окаменелостей говорит вам, что это изменение произошло, но как оно произошло на самом деле?» сказал Крис Амемия, молекулярный генетик из Калифорнийского университета в Мерседе, который не участвовал в новом исследовании. «Это классический вопрос эво-дево».

Чтобы раскрыть происхождение новой формы тела коньков, несколько лет назад геномист-эволюционист Хосе Луис Гомес-Скармета собрал разнообразную международную команду исследователей геномики и биологов-эволюционистов. Команда была необходима отчасти потому, что первым шагом было секвенирование и сборка генома ската, а компилировать геномы хрящевых рыб, таких как скаты и акулы, невероятно сложно.

«Их действительно сложно собрать воедино, потому что они огромны — часто больше, чем человеческий геном», — сказал он. Мелани Дебиа-Тибо, эволюционный генетик из Университета Монпелье во Франции, не участвовавший в работе.

Для своей работы команда выбрала скейт (Леукорая гребенчатая), который легко собирается вдоль атлантического побережья Северной Америки. Его также можно выращивать в лаборатории, что позволило проводить эксперименты по развитию и функционированию животных в рамках проекта. 

Сравнив геном маленького ската с геномами других позвоночных, исследователи определили, что геном ската в целом остается очень похожим на геном их предков позвоночных на уровне последовательности. Однако было несколько заметных перестроек, которые повлияли бы на трехмерную структуру генома. В ДНК человека такие перестройки могут вызывать заболевания, нарушая генную регуляцию. Открытие заставило исследователей задуматься о том, могли ли перестройки коньков аналогичным образом нарушить исходные генетические инструкции их строения тела. 

Разрушая границы

Если вы посмотрите на последовательность ДНК хромосомы, гены в ней могут показаться на удивление далекими от коротких последовательностей «энхансеров», которые регулируют активность этих генов. На практике, однако, из-за того, что ДНК в ядре клетки закручивается, складывается и закручивается в петлю, они часто совсем не далеко друг от друга.

У позвоночных наборы функционально родственных генов и их энхансеров физически сгруппированы вместе в трех измерениях в единицах, называемых топологически ассоциированными доменами, или TAD. Граничные области помогают гарантировать, что энхансеры действуют только на гены в одном и том же TAD.

Однако, когда происходят серьезные перестройки генома — подобные тем, которые команда наблюдала в ДНК ската — границы могут быть потеряны, а относительные положения генов в хромосомах могут измениться. В результате «некоторые энхансеры могут давать инструкции не тому гену». Дарио Лупианьес, биолог-эволюционист из Центра Макса Дельбрюка в Берлине и один из ведущих авторов исследования.

Казалось возможным, что изменения в трехмерной архитектуре генома ската могли разрушить древние блоки генов, которые скаты унаследовали от своих акулоподобных предков, влияя на функцию генов. «Мы пытались выяснить, действительно ли какие-то перестройки генома в маленьком коньке разрушают эти блоки», — сказал он. Фердинанд Марлета, геномист из Университетского колледжа Лондона и соавтор исследования.

Исследователи выявили перестройки генома маленького ската, которых не было ни у каких других позвоночных. Затем они сузили свое внимание до изменений, которые, судя по последовательностям генома, скорее всего повлияют на целостность TAD.

Усилия привели их к перестройке, которая, как они предсказывали, устранит границу TAD, которая регулирует систему развития, называемую путем планарной клеточной полярности (PCP). Они этого не ожидали: ничто в известных функциях пути РСР не предполагало, что он будет регулировать развитие плавников. В основном он определяет форму и ориентацию клеток у эмбрионов.

Новое генетическое соседство

Чтобы проверить потенциальное влияние изменения TAD на развитие плавников, Тецуя Накамура, биолог-эволюционист из Университета Рутгерса, подвергал маленьких эмбрионов скатов воздействию ингибитора пути PCP. Передний (передний) край их плавников был сильно изменен и не вырастал, чтобы соединиться с головой, как это обычно бывает. Было высказано предположение, что нарушение предкового TAD привело к появлению отличительных плавников ската за счет активации генов PCP в новой части тела.

«Эта перестройка TAD в основном изменяет все окружение гена и приносит новые энхансеры в непосредственной близости от гена», — сказал Лупианьес.

Но это было не единственное значимое изменение генома, обнаруженное исследователями. Они также идентифицировали мутацию в энхансере, который регулирует экспрессию некоторых генов, важных для развития. Нох группа. Нох гены определяют общий план тела у всех билатерально-симметричных животных. Одно их подмножество, ходжа кластер генов, обычно выражен только в задних (задних) краях развивающихся плавников и в конечностях, где он определяет формирование пальцев.

В маленьком коньке ходжа гены были активны как в задней, так и в передней части плавника. По словам Дебиа-Тибо, зона роста вдоль задней части плавника была продублирована вдоль передней, так что животное создало новый набор структур на передней части плавника, который был симметричен структурам на задней части.

Накамура показал, что мутировавший энхансер ската вызывал это новое ходжа образец выражения. Он объединил энхансер ската с геном флуоресцентного белка, а затем вставил эту комбинацию генов в эмбрионы рыбок данио. Грудные плавники рыбы аномально выросли, и вдоль их передней и задней кромок появилась флуоресценция, что свидетельствовало о том, что энхансер ската ведет ходжа выражение в обеих частях плавника. Когда Накамура повторил эксперимент с энхансером акулы, рост плавников не изменился, а флуоресценция была ограничена задней частью.

«Итак, теперь мы думаем, что генетические мутации произошли именно в энхансере скатов, и это может привести к уникальным Нох экспрессии генов в плавниках коньков», — сказал Накамура.

Создан для нового образа жизни

В картине эволюции скатов, которую реконструировали исследователи, в какой-то момент после того, как линия скатов отделилась от акул, они приобрели мутацию в энхансере, которая сделала их ходжа гены активны как в передней, так и в задней части грудных плавников. А в новых тканях, растущих вдоль передней части плавника, перестройки генома вызвали активацию пути PCP энхансерами в другом TAD, что в дальнейшем привело к тому, что плавник выдвинулся вперед и слился с головой животного.

«Сформировав крылообразную структуру, [коньки] теперь могут обитать в совершенно другой экологической нише — на дне океана», — пояснил Амемия.

Скаты, манты и другие скаты тесно связаны со скатами (все они классифицируются как «батоидные» рыбы), и их похожая блинообразная форма, вероятно, обусловлена ​​одинаковыми перестройками генома. Однако скаты также модифицировали свои крыловидные плавники таким образом, что они в основном позволяют им летать в воде. «У скатов есть эти волнистые плавники, и они остаются на дне, но манта может всплывать на поверхность и иметь совершенно другой способ передвижения», — сказал Амемия.

Хотя биологи-эволюционисты ранее предполагали, что эти изменения в трехмерной архитектуре генома могут быть возможны, это, вероятно, одна из первых работ, которая четко связывает их с довольно большими изменениями в форме тела, сказал Марлетас.

Лупианьес также считает, что результаты имеют значение, выходящее далеко за рамки понимания коньков. «Это совершенно новый взгляд на эволюцию, — сказал он. Структурные перестройки «могут вызвать активацию гена в том месте, где его быть не должно». Он добавил: «Это может быть механизмом болезни, но он также может служить движущей силой эволюции».