Kako so 3D spremembe v genomu spremenile morske pse v drsalke | Revija Quanta

Morska bitja, imenovana skati, se smukajo po morskem dnu in valovijo svoje krilate prsne plavuti, da se poganjajo in razburkajo majhna bitja, ki se skrivajo v pesku. Njihova nenavadna sploščena oblika telesa jih uvršča med najbolj nenavadne družine rib v morju, še bolj nenavadno pa se zdi, da so se razvile iz gladkih mesojedcev, podobnih morskim psom, ki so plavali pred približno 285 milijoni let. 

Zdaj so raziskovalci odkrili, kako so skati razvili svoj značilen profil: preureditve v zaporedju DNK skatov so spremenile 3D strukturo njegovega genoma in prekinile starodavne povezave med ključnimi razvojnimi geni in regulativnimi sekvencami, ki so jih urejale. Te spremembe so nato preoblikovale telesni načrt živali. Znanstveniki poročali o svojih ugotovitvah in Narava v aprilu.

Odkritje rešuje skrivnost evolucijske preobrazbe drsalk tako, da jo povezuje z genetskimi mehanizmi, ki usmerjajo razvoj. "Fosilni zapis vam pove, da se je ta sprememba zgodila, toda kako se je dejansko zgodila?" rekel Chris Amemiya, molekularni genetik na Univerzi v Kaliforniji, Merced, ki ni bil vključen v novo študijo. "To je klasično evo-devo vprašanje."

Da bi odkril izvor nove oblike telesa drsalk, je pred nekaj leti evolucijski genomik José Luis Gómez-Skarmeta je sestavil raznoliko mednarodno ekipo raziskovalcev genomike in evolucijskih razvojnih biologov. Ekipa je bila delno potrebna zato, ker bi bil prvi korak zaporedje in sestavljanje genoma skata, zbiranje genomov hrustančnih rib, kot so skati in morski psi, pa je neskončno težko.

"Resnično jih je težko sestaviti, ker so ogromni - pogosto večji od človeškega genoma," je dejal Mélanie Debiais-Thibaud, evolucijski razvojni genetik na Univerzi v Montpellierju v Franciji, ki ni bil vključen v delo.

Za svoje delo je ekipa izbrala malo drsalko (Leucoraja erinacea), ki se zlahka nabira ob atlantski obali Severne Amerike. Lahko jo gojijo tudi v laboratoriju, kar je v okviru projekta omogočilo izvedbo razvojnih in funkcionalnih poskusov na živalih. 

S primerjavo genoma malega skata z genomi drugih vretenčarjev so raziskovalci ugotovili, da je genom skata na splošno ostal zelo podoben genomu njihovih vretenčarskih prednikov na ravni zaporedja. Vendar je bilo nekaj opaznih preureditev, ki bi vplivale na 3D strukturo genoma. V DNK posameznikov lahko takšne preureditve povzročijo bolezni, ker onemogočijo regulacijo genov. Raziskovalci so se zaradi odkritja spraševali, ali so preureditve v drsalkah morda podobno motile prvotna genetska navodila za njihov telesni načrt. 

Podiranje meja

Če pogledate zaporedje DNK kromosoma, se lahko zdi, da so geni v njem presenetljivo daleč od kratkih zaporedij "ojačevalcev", ki uravnavajo aktivnost teh genov. V praksi pa zaradi tega, kako se DNK v celičnem jedru zvija, zvija in zavija nazaj, pogosto sploh nista daleč narazen.

Pri vretenčarjih so sklopi funkcionalno povezanih genov in njihovih ojačevalcev fizično združeni v treh dimenzijah v enotah, imenovanih topološko povezovalne domene ali TAD. Mejne regije pomagajo zagotoviti, da ojačevalci delujejo samo na gene v istem TAD.

Ko pa pride do večjih preureditev genoma - kot so tiste, ki jih je ekipa videla v DNK drsalke - se lahko meje izgubijo in relativni položaji genov na kromosomih se lahko spremenijo. Posledično lahko "nekateri ojačevalci zagotovijo navodila napačnemu genu," pojasnjuje Dario Lupiáñez, evolucijski biolog v centru Max Delbrück v Berlinu in eden od vodilnih avtorjev študije.

Zdelo se je možno, da so spremembe v 3D arhitekturi genoma skatov motile starodavne bloke genov, ki so jih skati podedovali od svojih morskih psov podobnih prednikov, kar je vplivalo na delovanje genov. "Poskušali smo ugotoviti, ali nekatere preureditve genoma v malem skatu dejansko zlomijo te bloke," je dejal Ferdinand Marlétaz, genomik na University College London in soavtor študije.

Raziskovalci so odkrili preureditve genoma pri malem skatu, ki jih ni bilo pri nobenem drugem vretenčarju. Nato so se osredotočili na spremembe, za katere se je zdelo, da bodo najverjetneje vplivale na celovitost TAD-jev na podlagi sekvenc genoma.

Prizadevanje jih je pripeljalo do preureditve, za katero so predvidevali, da bo odpravila mejo TAD, ki uravnava razvojni sistem, imenovan pot planarne celične polarnosti (PCP). Tega niso pričakovali: Nič o znanih funkcijah poti PCP ni takoj nakazovalo, da bo uravnaval razvoj plavuti. Večinoma določa obliko in orientacijo celic v zarodkih.

Nova genetska soseska

Da bi preizkusili potencialni vpliv spremembe TAD na razvoj plavuti, Tetsuya Nakamura, evolucijski razvojni biolog na Univerzi Rutgers, je zarodke majhnih drsalk izpostavil zaviralcu poti PCP. Sprednji (sprednji) rob njihovih plavuti je bil močno spremenjen in ni zrasel, da bi se združil z glavo, kot bi običajno. Predlagal je, da je motnja prednikov TAD povzročila značilne plavuti drsalke z aktiviranjem genov PCP v novem delu telesa.

"Ta preureditev TAD v bistvu spremeni celotno okolje gena in prinaša nove ojačevalce v bližino gena, " je dejal Lupiáñez.

Vendar to ni bila edina pomembna sprememba genoma, ki so jo odkrili raziskovalci. Identificirali so tudi mutacijo v ojačevalcu, ki uravnava izražanje nekaterih genov v razvojno pomembnih hox skupina. Hox geni določajo splošni načrt telesa pri vseh bilateralno simetričnih živalih. Ena podmnožica od njih, hoxa genski grozd, se običajno izraža le v posteriornih (zadnjih) robovih razvijajočih se plavuti in v okončinah, kjer določa nastanek prstov.

V malem drsalki, hoxa geni so bili aktivni tako v zadnjem kot v sprednjem delu plavuti. Debiais-Thibaud je dejal, da je bilo območje rasti vzdolž zadnje strani plavuti podvojeno vzdolž sprednje, tako da je žival naredila nov sklop struktur na sprednji strani plavuti, ki je bil simetričen s strukturami na zadnji strani.

Nakamura je pokazal, da mutirani ojačevalec drsalk povzroča to novo hoxa vzorec izražanja. Kombiniral je ojačevalec skata z genom za fluorescentni protein in nato to gensko kombinacijo vstavil v zarodke rib zebre. Prsne plavuti rib so nenormalno zrasle in vzdolž njihovega prednjega in zadnjega roba se je pojavila fluorescenca, kar je pokazalo, da je ojačevalec raže poganjal hoxa izraz v obeh delih plavuti. Ko je Nakamura ponovil poskus z ojačevalcem iz morskega psa, rast plavuti ni bila prizadeta in fluorescenca je bila omejena na zadnjo stran.

»Torej zdaj razmišljamo, da so se genetske mutacije pojavile posebej v ojačevalcu drsalk in to lahko povzroči edinstveno hox izražanje genov v plavutih drsalk,« je dejal Nakamura.

Oblikovan za nove načine življenja

V sliki evolucije skatov, ki so jo rekonstruirali raziskovalci, so na neki točki po tem, ko se je linija skatov ločila od morskih psov, pridobili mutacijo v ojačevalcu, ki je omogočil njihovo hoxa geni, ki so aktivni tako na sprednji kot zadnji strani njihovih prsnih plavuti. In znotraj novih tkiv, ki rastejo vzdolž sprednjega dela plavuti, so preureditve genoma povzročile aktivacijo poti PCP z ojačevalci v drugem TAD, kar je imelo nadaljnji učinek, da se je plavut razširila naprej in se zlila z glavo živali.

"Z oblikovanjem krilate podobne strukture lahko [drsalke] zdaj naselijo popolnoma drugačno ekološko nišo, dno oceana," je pojasnila Amemiya.

Stingrays, mante in druge raže so tesno povezane s skati (vse so razvrščene kot "batoidne" ribe), njihova podobna palačinkasta oblika pa je verjetno posledica enakih preureditev genoma. Vendar pa so žarki spremenili tudi svoje krilate podobne plavuti na načine, ki jim v bistvu omogočajo letenje skozi vodo. "Drsalke imajo to valovitost plavuti in ostanejo na dnu, mante pa lahko pridejo na površje in imajo povsem drugačen način gibanja," je dejala Amemiya.

Čeprav so evolucijski razvojni biologi predhodno ugibali, da bi bile te spremembe v 3D arhitekturi genoma možne, je to verjetno eden prvih člankov, ki jih jasno povezuje s precej velikimi spremembami v obliki telesa, je dejal Marlétaz.

Lupiáñez tudi verjame, da imajo ugotovitve pomen, ki daleč presega razumevanje drsalk. "To je popolnoma nov način razmišljanja o evoluciji," je dejal. Strukturne preureditve "lahko povzročijo, da se gen aktivira na mestu, kjer ne bi smel biti." Dodal je: "To je lahko mehanizem bolezni, lahko pa služi tudi kot gonilo evolucije."