Hur 3D-förändringar i genomet förvandlade hajar till skridskor | Quanta Magazine

De marina varelserna som kallas skridskor skummar längs havsbotten och porlar sina vingliknande bröstfenor för att driva fram sig själva och för att röra upp små varelser som gömmer sig i sanden. Deras ovanliga tillplattade kroppsplan gör dem till en av de uddaste fiskfamiljerna i havet, och det verkar ännu konstigare att de utvecklats från strömlinjeformade, hajliknande köttätare som simmade för cirka 285 miljoner år sedan. 

Nu har forskare upptäckt hur skridskor utvecklade sin distinkta profil: Omarrangemang i skridskors DNA-sekvens förändrade 3D-strukturen av dess genom och störde uråldriga kopplingar mellan nyckelutvecklingsgener och de regulatoriska sekvenser som styrde dem. Dessa ändringar i sin tur omarbetade djurets kroppsplan. Forskarna rapporterade sina resultat in Natur i april.

Upptäckten löser mysteriet med skridskornas evolutionära transformation genom att fästa den på genetiska mekanismer som styr utvecklingen. "Fossilregistret säger dig att denna förändring inträffade, men hur inträffade den egentligen?" sa Chris Amemiya, en molekylär genetiker vid University of California, Merced som inte var involverad i den nya studien. "Detta är en klassisk evo-devo-fråga."

För att avslöja ursprunget till skridskornas nya kroppsform, för några år sedan den evolutionära genomikern José Luis Gómez-Skarmeta sammansatt ett mångsidigt internationellt team av genomikforskare och evolutionära utvecklingsbiologer. Ett team behövdes delvis för att det första steget skulle vara att sekvensera och sammanställa genomet av en skridsko, och att sammanställa arvsmassan från broskfiskar som skridskor och hajar är oöverkomligt svårt.

"De är verkligen svåra att sätta ihop, eftersom de är enorma - ofta större än det mänskliga genomet," sa Mélanie Debiais-Thibaud, en evolutionär utvecklingsgenetiker vid universitetet i Montpellier i Frankrike som inte var involverad i arbetet.

För sitt arbete valde laget den lilla skridsko (Leucoraja erinacea), som lätt samlas in längs Atlantkusten i Nordamerika. Den kan även födas upp i ett laboratorium, vilket gjorde det möjligt att genomföra utvecklings- och funktionsförsök på djuren som en del av projektet. 

Genom att jämföra genomet av den lilla skridskon med genomet från andra ryggradsdjur, fastställde forskarna att skridskogenomet i allmänhet har förblivit mycket likt det hos deras ryggradsdjurs förfäder på sekvensnivå. Det fanns dock några anmärkningsvärda omarrangemang som skulle ha påverkat genomets 3D-struktur. I individers DNA kan sådana omarrangemang orsaka sjukdomar genom att genreglering försvinner. Upptäckten fick forskarna att undra om omarrangemang i skridskor på liknande sätt kan ha stört de ursprungliga genetiska instruktionerna för deras kroppsplan. 

Bryter ner gränserna

Om du tittar på DNA-sekvensen för en kromosom, kan generna i den verka förvånansvärt långt borta från de korta "förstärkar"-sekvenser som reglerar aktiviteten hos dessa gener. Men i praktiken, på grund av hur DNA:t i en cellkärna spolar, veck och loopar tillbaka på sig själv, är de ofta inte långt ifrån varandra alls.

Hos ryggradsdjur är uppsättningar av funktionellt relaterade gener och deras förstärkare fysiskt grupperade i tre dimensioner i enheter som kallas topologiskt associerande domäner eller TAD. Gränsregioner hjälper till att säkerställa att förstärkare endast verkar på gener i samma TAD.

Men när stora genomomläggningar inträffar - som de som teamet såg i skridskonens DNA - kan gränser gå förlorade, och de relativa positionerna för gener på kromosomerna kan förändras. Som ett resultat kan "vissa förstärkare ge instruktioner till fel gen", förklarade Dario Lupiáñez, en evolutionsbiolog vid Max Delbrück Center i Berlin och en av de äldre författarna till studien.

Det verkade möjligt att förändringarna i skridskogenomets 3D-arkitektur kunde ha stört de gamla blocken av gener som skridskorna ärvde från sina hajliknande förfäder, vilket påverkade genernas funktion. "Vi försökte titta på om vissa genomomarrangemang i den lilla skridskon faktiskt bryter dessa block," sa Ferdinand Marlétaz, en genomiker vid University College London och medförfattare till studien.

Forskarna identifierade genomomarrangemang i den lilla skridsko som inte fanns hos några andra ryggradsdjur. Sedan minskade de sitt fokus till de förändringar som verkade mest sannolikt påverka integriteten hos TAD, baserat på genomsekvenserna.

Ansträngningen ledde dem till en omarrangering som de förutspådde skulle eliminera gränsen för en TAD som reglerar ett utvecklingssystem som kallas den plana cellpolaritetsvägen (PCP). De hade inte förväntat sig det: Ingenting om PCP-vägens kända funktioner antydde omedelbart att den skulle reglera fenutvecklingen. Mestadels fastställer det formen och orienteringen av celler i embryon.

Ett nytt genetiskt kvarter

För att testa den potentiella effekten av TAD-förändringen på fenans utveckling, Tetsuya Nakamura, en evolutionär utvecklingsbiolog vid Rutgers University, exponerade små skridskoembryon för en hämmare av PCP-vägen. Den främre (framkanten) av deras fenor var kraftigt förändrad och växte inte ut för att förenas med huvudet som det normalt skulle göra. Det antydde att störningen av den förfäders TAD hade producerat skridskornas distinkta fenor genom att aktivera PCP-gener i en ny del av kroppen.

"Denna omarrangering av TAD förändrar i princip hela miljön för genen och tar med nya förstärkare i närheten av genen," sa Lupiáñez.

Men det var inte den enda relevanta genomförändringen som forskarna fann. De identifierade också en mutation i en förstärkare som reglerar uttrycket av vissa gener i utvecklingsmässigt viktiga hox grupp. Hox gener specificerar den allmänna kroppsplanen hos alla bilateralt symmetriska djur. En delmängd av dem, den hoxa genkluster, uttrycks vanligtvis endast i de bakre (bakre) kanterna på de utvecklande fenorna och i lemmar, där det specificerar bildandet av siffror.

I den lilla skridsko, den hoxa gener var aktiva i både bakre och främre delen av fenan. Det var som om tillväxtzonen längs fenans baksida hade duplicerats längs framsidan, så att djuret gjorde en ny uppsättning strukturer på fenans framsida som var symmetriska med strukturer på den bakre delen, sa Debiais-Thibaud.

Nakamura visade att skridskonens muterade förstärkare orsakade detta nya hoxa uttrycksmönster. Han kombinerade skridskonens förstärkare med en gen för ett fluorescerande protein och satte sedan in den genkombinationen i embryon från zebrafiskar. Fiskens bröstfenor växte onormalt och fluorescens uppträdde längs både deras fram- och bakkant, vilket visade att skridskonens förstärkare drev hoxa uttryck i fenans båda delar. När Nakamura upprepade experimentet med en förstärkare från en haj var fentillväxten opåverkad och fluorescensen begränsades till den bakre delen.

"Så nu tänker vi att de genetiska mutationerna inträffade specifikt i skridskoförstärkaren, och det kan driva unika hox genuttryck i skatefenor, sa Nakamura.

Formad för nya sätt att leva

I bilden av skridskoutvecklingen som forskarna har rekonstruerat, någon gång efter att skridskohärkomsten avvikit från hajar, fick de en mutation i en förstärkare som gjorde att deras hoxa gener som är aktiva i både fram- och baksidan av deras bröstfenor. Och inom de nya vävnaderna som växte längs fenans främre del, orsakade genomomarrangemang att PCP-vägen aktiverades av förstärkare i en annan TAD, vilket hade den ytterligare effekten att fenan sträckte sig framåt och smälter samman med djurets huvud.

"Genom att bilda den vingliknande strukturen kan [skridskorna] nu leva i en helt annan ekologisk nisch, havets botten," förklarade Amemiya.

Stingrockor, mantor och andra rockor är nära besläktade med skridskor (de är alla klassificerade som "batoid" fiskar), och deras liknande pannkaka form beror förmodligen på samma genomomläggningar. Strålarna har dock också modifierat sina vingliknande fenor på ett sätt som i princip tillåter dem att flyga genom vattnet. "Glidskorna har dessa vågformer av fenan och stannar på botten, men mantor kan komma till ytan och ha ett helt annat sätt att förflytta sig," sa Amemiya.

Även om evolutionära utvecklingsbiologer tidigare har spekulerat i att dessa förändringar i 3D-arkitekturen för ett genom kan vara möjliga, är detta förmodligen en av de första artiklarna som tydligt kopplar dem till ganska stora förändringar i kroppsform, sa Marlétaz.

Lupiáñez tror också att fynden har betydelse som sträcker sig långt bortom en förståelse för skridskor. "Det här är ett helt nytt sätt att tänka på evolution," sa han. Strukturella omarrangemang "kan göra att en gen aktiveras på en plats där den inte borde vara." Han tillade: "Detta kan vara en sjukdomsmekanism, men det kan också fungera som en drivkraft för evolution."