Як тривимірні зміни в геномі перетворили акул на ковзанів | Журнал Quanta

Морські істоти, які називаються ковзанами, ковзають по морському дну, махаючи крилоподібними грудними плавниками, щоб рухатися й підіймати маленьких істот, що ховаються в піску. Їх незвичайний сплощений план тіла робить їх однією з найдивніших родин риб у морі, і здається ще дивнішим те, що вони еволюціонували від обтічних, схожих на акулу м’ясоїдних тварин, які плавали приблизно 285 мільйонів років тому. 

Тепер дослідники виявили, як ковзани розвинули свій характерний профіль: перегрупування в послідовності ДНК скатів змінили тривимірну структуру його геному та порушили давні зв’язки між ключовими генами розвитку та регуляторними послідовностями, які ними керували. Ці зміни, у свою чергу, змінили план тіла тварини. Вчені повідомили про свої висновки in природа у квітні.

Відкриття розкриває таємницю еволюційної трансформації ковзанів, пов’язуючи її з генетичними механізмами, що керують розвитком. «Летопис скам’янілостей говорить вам, що ця зміна відбулася, але як це відбулося насправді?» сказав Кріс Амемія, молекулярний генетик з Каліфорнійського університету в Мерседі, який не брав участі в новому дослідженні. «Це класичне питання ево-дево».

Щоб розкрити походження нової форми тіла ковзанів, кілька років тому еволюційний геномік Хосе Луїс Гомес-Скармета зібрав різноманітну міжнародну команду дослідників геноміки та біологів еволюційного розвитку. Команда була потрібна частково тому, що першим кроком буде секвенувати та зібрати геном ската, а компілювати геноми хрящових риб, таких як ковзани та акули, надзвичайно важко.

«Їх дійсно важко зібрати разом, тому що вони величезні — часто більші за геном людини», — сказав Мелані Деб'є-Тібо, генетик еволюційного розвитку з університету Монпельє у Франції, який не брав участі в роботі.

Для своєї роботи команда вибрала маленького скейта (Leucoraja erinacea), який легко збирається вздовж Атлантичного узбережжя Північної Америки. Його також можна вирощувати в лабораторії, що дало можливість проводити експерименти щодо розвитку та функціональності тварин у рамках проекту. 

Порівнюючи геном маленького ковзана з геномами інших хребетних, дослідники визначили, що геном ковзана в цілому залишається дуже схожим на геном їхніх предків хребетних на рівні послідовності. Однак було кілька помітних перебудов, які вплинули б на тривимірну структуру геному. У ДНК індивідуумів такі перебудови можуть спричиняти захворювання, порушуючи регуляцію генів. Це відкриття змусило дослідників задуматися, чи могли перебудови ковзанів таким же чином порушити оригінальні генетичні інструкції щодо їхнього плану тіла. 

Порушення кордонів

Якщо ви подивитеся на послідовність ДНК хромосоми, гени в ній можуть здатися напрочуд далекими від коротких «підсилювальних» послідовностей, які регулюють активність цих генів. На практиці, однак, через те, як ДНК у клітинному ядрі згортається, згортається та закручується назад, вони часто зовсім не далеко одна від одної.

У хребетних набори функціонально пов’язаних генів та їх енхансерів фізично згруповані разом у трьох вимірах у одиницях, які називаються топологічно асоційованими доменами, або TAD. Граничні області допомагають гарантувати, що енхансери діють лише на гени в одному TAD.

Однак, коли відбуваються значні перебудови геному — як ті, які команда бачила в ДНК ковзана — межі можуть бути втрачені, а відносне розташування генів у хромосомах може змінитися. Як наслідок, «деякі енхансери можуть надавати інструкції неправильному гену», пояснюється Даріо Лупіаньєс, еволюційний біолог з Центру Макса Дельбрюка в Берліні та один із старших авторів дослідження.

Здавалося можливим, що зміни в 3D-архітектурі геному скатів могли порушити давні блоки генів, які ковзани успадкували від своїх акулоподібних предків, що вплинуло на функцію генів. «Ми намагалися з’ясувати, чи справді деякі перебудови генома маленького скейта порушують ці блоки», — сказав Фердинанд Марлетаз, геномік з Університетського коледжу Лондона та один із перших авторів дослідження.

Дослідники виявили перебудови генома маленького ковзана, яких не було в інших хребетних. Потім вони звузили свою увагу до змін, які, здавалося, найбільш ймовірно вплинули на цілісність TAD на основі послідовностей генома.

Зусилля привели їх до перебудови, яка, за їхніми прогнозами, усуне межу TAD, яка регулює систему розвитку, яка називається шляхом планарної клітинної полярності (PCP). Вони цього не очікували: ніщо про відомі функції шляху PCP одразу не свідчило про те, що він регулюватиме розвиток плавників. Здебільшого він визначає форму та орієнтацію клітин ембріонів.

Нове генетичне сусідство

Щоб перевірити потенційний вплив зміни TAD на розвиток плавників, Тецуя Накамура, біолог з еволюційного розвитку з Університету Ратгерса, піддав маленькі ембріони скатів дії інгібітора шляху PCP. Передній (передній) край їхніх плавників був сильно змінений і не з’єднувався з головою, як зазвичай. Це припустило, що руйнування предків TAD призвело до появи характерних плавників ковзана шляхом активації генів PCP у новій частині тіла.

«Ця перебудова TAD в основному змінює все оточення гена та приносить нові енхансери в околиці гена», — сказав Лупіаньєс.

Але це була не єдина відповідна зміна геному, яку виявили дослідники. Вони також виявили мутацію в енхансері, який регулює експресію деяких генів, важливих для розвитку hox група. Хокс гени визначають загальний план тіла у всіх білатерально-симетричних тварин. Один із них, hoxa кластер генів, як правило, експресується лише в задніх (задніх) краях плавників, що розвиваються, і в кінцівках, де він визначає формування пальців.

У маленькому ковзані, в hoxa гени були активні як в задній, так і в передній частинах плавця. Це було так, ніби зона росту вздовж задньої частини плавця була дубльована вздовж передньої, так що тварина створила новий набір структур на передній частині плавця, який був симетричним структурам на задній частині, сказав Дебіа-Тібо.

Накамура показав, що мутований енхансер скейта є причиною цього нового hoxa шаблон виразу. Він поєднав енхансер ковзана з геном флуоресцентного білка, а потім вставив цю комбінацію генів в ембріони риби даніо. Грудні плавці риби виросли аномально, і вздовж їх переднього та заднього країв з’явилася флуоресценція, що свідчило про те, що енхансер ковзана рухався hoxa вираз в обох частинах фін. Коли Накамура повторив експеримент із енхансером з акули, ріст плавців не вплинув, а флуоресценція була обмежена задньою.

«Тож тепер ми думаємо, що генетичні мутації відбулися саме в енхансері ковзанів, і це може стати причиною унікальних hox експресія генів у ластах ковзанів», – сказав Накамура.

Створений для нових способів життя

У картині еволюції скатів, яку реконструювали дослідники, в якийсь момент після того, як лінія скатів відійшла від акул, вони отримали мутацію в енхансері, яка зробила їх hoxa гени, активні як в передній, так і в задній частинах їхніх грудних плавців. А в нових тканинах, що ростуть вздовж передньої частини плавця, зміни генома призвели до того, що шлях PCP активується підсилювачами в іншому TAD, що призвело до того, що плавник висунувся вперед і злився з головою тварини.

«Утворюючи крилоподібну структуру, [ковзани] тепер можуть заселяти зовсім іншу екологічну нішу, дно океану», — пояснила Амемія.

Скати, манти та інші промені тісно пов’язані зі скатами (всі вони класифікуються як «батоподібні» риби), і їх подібна форма млинця, ймовірно, пов’язана з тими ж перебудовами геному. Однак скати також змінили свої крилоподібні плавники таким чином, що в основному дозволяють їм літати у воді. «Ковзани мають такі хвилясті плавці і залишаються на дні, але манти можуть виходити на поверхню і мати зовсім інший спосіб пересування», — сказала Амемія.

Хоча біологи з еволюційного розвитку раніше припускали, що ці зміни в 3D-архітектурі геному можливі, це, ймовірно, одна з перших робіт, яка чітко пов’язує їх із досить великими змінами у формі тіла, сказав Марлетаз.

Луп'яньєс також вважає, що знахідки мають значення, яке виходить далеко за межі розуміння ковзанів. «Це абсолютно новий спосіб думати про еволюцію», — сказав він. Структурні перебудови «можуть спричинити активацію гена там, де він не повинен бути». Він додав: «Це може бути механізмом хвороби, але він також може служити рушієм еволюції».