การเปลี่ยนแปลง 3 มิติในจีโนมทำให้ฉลามกลายเป็นรองเท้าสเก็ต | นิตยสารควอนตั้ม

สิ่งมีชีวิตในทะเลที่เรียกว่าสเก็ตไถลไปตามก้นทะเล กระเพื่อมครีบอกคล้ายปีกเพื่อขับเคลื่อนตัวเองและกระตุ้นสิ่งมีชีวิตขนาดเล็กที่ซ่อนตัวอยู่ในทราย รูปร่างที่แบนราบผิดปกติของพวกมันทำให้พวกมันเป็นหนึ่งในตระกูลปลาที่แปลกประหลาดที่สุดในท้องทะเล และดูเหมือนว่าพวกมันจะวิวัฒนาการมาจากสัตว์กินเนื้อที่มีลักษณะคล่องตัวคล้ายปลาฉลามซึ่งแหวกว่ายเมื่อประมาณ 285 ล้านปีก่อน 

ตอนนี้นักวิจัยได้ค้นพบว่ารองเท้าสเก็ตมีวิวัฒนาการลักษณะเฉพาะของมันอย่างไร: การจัดเรียงใหม่ในลำดับดีเอ็นเอของรองเท้าสเก็ตทำให้โครงสร้าง 3 มิติของจีโนมของมันเปลี่ยนไป และขัดขวางการเชื่อมต่อในสมัยโบราณระหว่างยีนพัฒนาการที่สำคัญและลำดับการควบคุมที่ควบคุมพวกมัน การเปลี่ยนแปลงเหล่านั้นได้ร่างแผนร่างกายของสัตว์ใหม่ นักวิทยาศาสตร์ รายงานการค้นพบของพวกเขา in ธรรมชาติ ในเดือนเมษายน

การค้นพบนี้ไขความลึกลับของการเปลี่ยนแปลงทางวิวัฒนาการของรองเท้าสเก็ตด้วยการตรึงไว้ที่กลไกทางพันธุกรรมที่ชี้นำการพัฒนา “บันทึกฟอสซิลบอกคุณว่าการเปลี่ยนแปลงนี้เกิดขึ้น แต่มันเกิดขึ้นได้อย่างไร” พูดว่า คริส อาเมมิยะนักพันธุศาสตร์ระดับโมเลกุลแห่งมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เมอร์เซด ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับการศึกษาครั้งใหม่นี้ “นี่เป็นคำถาม evo-devo แบบคลาสสิก”

เพื่อค้นพบต้นกำเนิดของรูปทรงใหม่ของรองเท้าสเก็ต เมื่อไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักจีโนมิกเชิงวิวัฒนาการ โฆเซ หลุยส์ โกเมซ-สการ์เมตา ได้รวบรวมทีมนักวิจัยจีโนมิกส์และนักชีววิทยาพัฒนาการเชิงวิวัฒนาการระดับนานาชาติที่หลากหลาย ส่วนหนึ่งจำเป็นต้องมีทีมเพราะขั้นตอนแรกคือการจัดลำดับและประกอบจีโนมของปลาสเก็ต และการรวบรวมจีโนมของปลากระดูกอ่อนอย่างปลาสเก็ตและปลาฉลามนั้นยากเกินห้ามใจ

“พวกมันยากที่จะประกอบเข้าด้วยกัน เพราะพวกมันมีขนาดใหญ่มาก ซึ่งมักจะใหญ่กว่าจีโนมมนุษย์เสียอีก” กล่าว เมลานี เดเบียส-ธิโบด์นักพันธุศาสตร์ด้านพัฒนาการเชิงวิวัฒนาการแห่งมหาวิทยาลัยมงต์เปลลิเยร์ในฝรั่งเศสซึ่งไม่ได้มีส่วนร่วมในงานนี้

สำหรับการทำงาน ทีมงานได้เลือกสเก็ตตัวน้อย (ลิวโคราจา อีรินาเซีย) ซึ่งรวบรวมได้ง่ายตามชายฝั่งมหาสมุทรแอตแลนติกของทวีปอเมริกาเหนือ นอกจากนี้ยังสามารถเลี้ยงในห้องปฏิบัติการได้ ซึ่งทำให้สามารถดำเนินการทดลองด้านพัฒนาการและการทำงานของสัตว์เหล่านี้ได้ ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของโครงการ 

เมื่อเปรียบเทียบจีโนมของสเก็ตน้อยกับจีโนมของสัตว์มีกระดูกสันหลังอื่น ๆ นักวิจัยระบุว่าจีโนมของสเก็ตยังคงมีความคล้ายคลึงกับบรรพบุรุษของสัตว์มีกระดูกสันหลังในระดับลำดับ อย่างไรก็ตาม มีการจัดเรียงใหม่ที่โดดเด่นบางประการที่อาจส่งผลต่อโครงสร้าง 3 มิติของจีโนม ใน DNA ของแต่ละบุคคล การจัดเรียงใหม่ดังกล่าวสามารถทำให้เกิดโรคได้โดยการละทิ้งการควบคุมของยีน การค้นพบนี้ทำให้นักวิจัยสงสัยว่าการจัดเรียงตัวในรองเท้าสเก็ตอาจรบกวนคำสั่งทางพันธุกรรมดั้งเดิมสำหรับแผนร่างกายของพวกเขาในทำนองเดียวกันหรือไม่ 

การทำลายขอบเขต

หากคุณดูที่ลำดับดีเอ็นเอของโครโมโซม ยีนในโครโมโซมอาจดูห่างไกลจากลำดับ "ตัวเสริม" สั้นๆ ที่ควบคุมการทำงานของยีนเหล่านั้นอย่างน่าประหลาดใจ ในทางปฏิบัติ แม้ว่า DNA ในนิวเคลียสของเซลล์จะม้วน พับ และวนกลับมาที่ตัวมันเอง พวกมันมักจะไม่ห่างกันเลย

ในสัตว์มีกระดูกสันหลัง ชุดของยีนที่เกี่ยวข้องกับการทำงานและส่วนเพิ่มของยีนจะถูกจัดกลุ่มเข้าด้วยกันทางร่างกายในสามมิติในหน่วยที่เรียกว่าโดเมนที่เชื่อมโยงทอพอโลยีหรือ TAD บริเวณที่มีขอบเขตช่วยให้มั่นใจได้ว่าเอนแฮนเซอร์จะทำหน้าที่กับยีนใน TAD เดียวกันเท่านั้น

อย่างไรก็ตาม เมื่อการจัดเรียงจีโนมครั้งสำคัญเกิดขึ้น เช่นเดียวกับที่ทีมเห็นใน DNA ของรองเท้าสเก็ต ขอบเขตอาจสูญเสียไป และตำแหน่งสัมพัทธ์ของยีนบนโครโมโซมสามารถเปลี่ยนแปลงได้ ผลที่ตามมาคือ "สารเพิ่มประสิทธิภาพบางชนิดสามารถให้คำแนะนำแก่ยีนที่ไม่ถูกต้องได้" อธิบาย ดาริโอ ลูเปียนเญซนักชีววิทยาวิวัฒนาการที่ Max Delbrück Center ในกรุงเบอร์ลิน และเป็นหนึ่งในผู้เขียนอาวุโสของการศึกษา

ดูเหมือนว่าเป็นไปได้ว่าการเปลี่ยนแปลงในสถาปัตยกรรม 3 มิติของสเก็ตจีโนมอาจทำให้ยีนโบราณของรองเท้าสเก็ตที่สืบทอดมาจากบรรพบุรุษที่คล้ายปลาฉลามหยุดชะงัก ซึ่งส่งผลต่อการทำงานของยีน "เรากำลังพยายามดูว่าการจัดเรียงจีโนมใหม่บางส่วนในสเก็ตเล็ก ๆ จะทำลายบล็อกเหล่านี้หรือไม่" กล่าว เฟอร์ดินานด์ มาร์เลตาซนักจีโนมิกส์แห่งมหาวิทยาลัยคอลเลจลอนดอนและผู้เขียนร่วมคนแรกของการศึกษา

นักวิจัยระบุการจัดเรียงจีโนมใหม่ในสเก็ตเล็ก ๆ ที่ไม่มีอยู่ในสัตว์มีกระดูกสันหลังอื่น ๆ จากนั้นพวกเขาก็จำกัดความสนใจไปที่การเปลี่ยนแปลงที่ดูเหมือนจะส่งผลกระทบต่อความสมบูรณ์ของ TAD มากที่สุด โดยอิงจากลำดับจีโนม

ความพยายามนี้นำพวกเขาไปสู่การจัดเรียงใหม่ที่พวกเขาคาดการณ์ว่าจะกำจัดขอบเขตของ TAD ที่ควบคุมระบบการพัฒนาที่เรียกว่าทางเดินของขั้วเซลล์ระนาบ (PCP) พวกเขาไม่คาดคิดมาก่อนว่า: ไม่มีสิ่งใดเกี่ยวกับหน้าที่ที่รู้จักของเส้นทาง PCP ที่ระบุในทันทีว่ามันจะควบคุมการพัฒนาครีบ ส่วนใหญ่จะกำหนดรูปร่างและการวางแนวของเซลล์ในเอ็มบริโอ

ย่านพันธุกรรมใหม่

เพื่อทดสอบผลกระทบที่อาจเกิดขึ้นจากการเปลี่ยนแปลง TAD ต่อการพัฒนาครีบ เท็ตสึยะ นากามูระนักชีววิทยาด้านพัฒนาการเชิงวิวัฒนาการแห่งมหาวิทยาลัยรัทเกอร์ส เปิดเผยตัวอ่อนสเก็ตเล็กๆ ต่อสารยับยั้งเส้นทาง PCP ขอบด้านหน้า (ด้านหน้า) ของครีบมีการเปลี่ยนแปลงอย่างมากและไม่งอกออกมารวมกับส่วนหัวเหมือนปกติ มันชี้ให้เห็นว่าการหยุดชะงักของบรรพบุรุษ TAD ทำให้เกิดครีบที่โดดเด่นของรองเท้าสเก็ตโดยการกระตุ้นยีน PCP ในส่วนใหม่ของร่างกาย

Lupiáñezกล่าวว่า "การจัดเรียงใหม่ของ TAD นี้โดยพื้นฐานแล้วจะเปลี่ยนสภาพแวดล้อมทั้งหมดของยีนและนำสารเพิ่มประสิทธิภาพใหม่เข้ามาในบริเวณใกล้เคียงกับยีน" Lupiáñezกล่าว

แต่นั่นไม่ใช่การเปลี่ยนแปลงจีโนมที่เกี่ยวข้องเพียงอย่างเดียวที่นักวิจัยค้นพบ พวกเขายังระบุการกลายพันธุ์ในตัวเสริมที่ควบคุมการแสดงออกของยีนบางตัวในพัฒนาการที่สำคัญ hox กลุ่ม ฮ็อกซ์ ยีนระบุแผนทั่วไปของร่างกายในสัตว์ที่สมมาตรทั้งสองข้าง ส่วนย่อยหนึ่งของพวกเขาคือ ฮอกซา กลุ่มยีนมักจะแสดงเฉพาะที่ขอบด้านหลัง (ด้านหลัง) ของครีบที่กำลังพัฒนาและในแขนขา ซึ่งระบุการก่อตัวของตัวเลข

ในสเก็ตเล็ก ๆ น้อย ๆ ฮอกซา ยีนทำงานทั้งในส่วนหลังและส่วนหน้าของครีบ Debiais-Thibaud กล่าวว่า มันเหมือนกับว่าบริเวณการเจริญเติบโตที่ด้านหลังของครีบนั้นซ้ำกันที่ด้านหน้า ดังนั้นสัตว์จึงสร้างโครงสร้างชุดใหม่ที่ด้านหน้าของครีบที่สมมาตรกับโครงสร้างที่อยู่ด้านหลัง Debiais-Thibaud กล่าว

นากามูระแสดงให้เห็นว่าเอนแฮนเซอร์ที่กลายพันธุ์ของรองเท้าสเก็ตเป็นสาเหตุของสิ่งใหม่นี้ ฮอกซา รูปแบบการแสดงออก เขารวมเอนแฮนเซอร์ของรองเท้าสเก็ตกับยีนสำหรับโปรตีนเรืองแสง แล้วใส่ยีนดังกล่าวเข้าไปในตัวอ่อนของปลาม้าลาย ครีบครีบอกของปลาขยายใหญ่ขึ้นอย่างผิดปกติ และมีการเรืองแสงปรากฏขึ้นตามขอบด้านบนและขอบท้าย ซึ่งแสดงให้เห็นว่าเอนแฮนเซอร์ของสเก็ตกำลังขับเคลื่อนอยู่ ฮอกซา การแสดงออกของครีบทั้งสองส่วน เมื่อนากามูระทำการทดลองซ้ำด้วยสารเพิ่มคุณภาพจากปลาฉลาม การเจริญเติบโตของครีบไม่ได้รับผลกระทบและการเรืองแสงถูกจำกัดไว้ที่ส่วนหลังเท่านั้น

“ตอนนี้เรากำลังคิดว่าการกลายพันธุ์ทางพันธุกรรมเกิดขึ้นโดยเฉพาะในสเก็ตเอนแฮนเซอร์ และนั่นสามารถขับเคลื่อนสิ่งที่ไม่เหมือนใครได้ hox การแสดงออกของยีนในครีบสเก็ต” นากามูระกล่าว

สร้างขึ้นเพื่อวิถีชีวิตใหม่

ในภาพวิวัฒนาการของรองเท้าสเก็ตที่นักวิจัยได้สร้างขึ้นใหม่ เมื่อถึงจุดหนึ่งหลังจากที่สายเลือดสเก็ตแยกตัวออกจากฉลาม พวกเขาได้รับการกลายพันธุ์ในเอนแฮนเซอร์ที่ทำให้พวกเขา ฮอกซา ยีนที่ทำงานอยู่ทั้งด้านหน้าและด้านหลังของครีบอก และภายในเนื้อเยื่อใหม่ที่เติบโตตามส่วนหน้าของครีบ การจัดเรียงจีโนมใหม่ทำให้เส้นทาง PCP ถูกเปิดใช้งานโดยเอนแฮนเซอร์ใน TAD ที่แตกต่างกัน ซึ่งมีผลเพิ่มเติมในการทำให้ครีบขยายไปข้างหน้าและหลอมรวมเข้ากับหัวของสัตว์

“โดยการสร้างโครงสร้างคล้ายปีก ตอนนี้ [รองเท้าสเก็ต] สามารถอาศัยอยู่ในช่องนิเวศวิทยาที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง ซึ่งก็คือก้นมหาสมุทร” Amemiya อธิบาย

ปลากระเบน ราหู และปลากระเบนอื่นๆ มีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับปลาสเก็ต (พวกมันทั้งหมดจัดอยู่ในประเภทปลา "บาตอยด์") และรูปร่างคล้ายแพนเค้กของพวกมันน่าจะเกิดจากการจัดเรียงจีโนมใหม่เหมือนกัน อย่างไรก็ตามรังสีได้ปรับเปลี่ยนครีบคล้ายปีกเพื่อให้บินผ่านน้ำได้ “รองเท้าสเก็ตมีครีบที่เป็นลูกคลื่นและอยู่ด้านล่าง แต่กระเบนราหูสามารถขึ้นสู่ผิวน้ำได้และมีวิธีการเคลื่อนที่ที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง” Amemiya กล่าว

แม้ว่าก่อนหน้านี้นักชีววิทยาพัฒนาการเชิงวิวัฒนาการจะคาดเดาว่าการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ในสถาปัตยกรรม 3 มิติของจีโนมอาจเป็นไปได้ แต่นี่อาจเป็นหนึ่งในเอกสารชิ้นแรกที่เชื่อมโยงอย่างชัดเจนกับการเปลี่ยนแปลงรูปร่างที่ค่อนข้างใหญ่ Marlétaz กล่าว

Lupiáñezยังเชื่อว่าการค้นพบนี้มีความสำคัญเกินกว่าความเข้าใจเกี่ยวกับรองเท้าสเก็ต "นี่เป็นวิธีคิดใหม่เกี่ยวกับวิวัฒนาการ" เขากล่าว การจัดเรียงโครงสร้างใหม่ "อาจทำให้ยีนถูกกระตุ้นในที่ที่ไม่ควร" เขาเสริมว่า: "นี่อาจเป็นกลไกของโรค แต่ก็สามารถใช้เป็นตัวขับเคลื่อนของวิวัฒนาการได้เช่นกัน"