جینوم میں تھری ڈی تبدیلیوں نے کس طرح شارک کو سکیٹس میں تبدیل کیا | کوانٹا میگزین

سکیٹس کہلانے والی سمندری مخلوق سمندر کی تہہ کے ساتھ ساتھ سکیم کرتی ہے، اپنے پروں کی طرح چھاتی کے پنکھوں کو پھاڑ کر خود کو آگے بڑھاتی ہے اور ریت میں چھپے چھوٹے جانداروں کو ہلاتی ہے۔ ان کا غیر معمولی چپٹا جسم کا منصوبہ انہیں سمندر میں مچھلیوں کے سب سے عجیب خاندانوں میں سے ایک بناتا ہے، اور یہ اور بھی عجیب لگتا ہے کہ وہ ہموار، شارک نما گوشت خوروں سے تیار ہوئے ہیں جو تقریباً 285 ملین سال پہلے تیرتے تھے۔ 

اب محققین نے دریافت کیا ہے کہ اسکیٹس نے اپنے مخصوص پروفائل کو کیسے تیار کیا: اسکیٹ کے ڈی این اے کی ترتیب میں دوبارہ ترتیب نے اس کے جینوم کے 3D ڈھانچے کو تبدیل کردیا اور کلیدی ترقیاتی جینوں اور ان پر حکومت کرنے والے ریگولیٹری ترتیب کے درمیان قدیم روابط کو متاثر کیا۔ ان تبدیلیوں نے جانوروں کے جسم کے منصوبے کو دوبارہ تیار کیا۔ سائنسدانوں ان کے نتائج کی اطلاع دی in فطرت، قدرت اپریل میں.

دریافت اسکیٹس کی ارتقائی تبدیلی کے اسرار کو حل کرتی ہے اور اسے ترقی کی ہدایت کرنے والے جینیاتی میکانزم پر لگاتی ہے۔ "فوسل ریکارڈ آپ کو بتاتا ہے کہ یہ تبدیلی واقع ہوئی ہے، لیکن یہ حقیقت میں کیسے واقع ہوئی؟" کہا کرس امیمیاکیلیفورنیا یونیورسٹی میں ایک مالیکیولر جینیاتی ماہر، مرسڈ جو نئی تحقیق میں شامل نہیں تھا۔ "یہ ایک کلاسک ایوو ڈیوو سوال ہے۔"

اسکیٹس کے ناول جسمانی شکل کی اصلیت کو ننگا کرنے کے لیے، چند سال قبل ارتقائی جینومکسٹ جوس لوئس گومیز-سکرمیٹا جینومکس کے محققین اور ارتقائی ترقیاتی ماہر حیاتیات کی ایک متنوع بین الاقوامی ٹیم کو جمع کیا۔ جزوی طور پر ایک ٹیم کی ضرورت تھی کیونکہ پہلا قدم سکیٹ کے جینوم کو ترتیب دینا اور جمع کرنا ہو گا، اور کارٹیلجینس مچھلی جیسے سکیٹس اور شارک کے جینومز کو مرتب کرنا ممنوعہ طور پر مشکل ہے۔

"انہیں اکٹھا کرنا واقعی مشکل ہے، کیونکہ وہ بہت بڑے ہیں - اکثر انسانی جینوم سے بڑے،" نے کہا۔ میلانی ڈیبیاس تھیباؤڈفرانس کی یونیورسٹی آف مونٹپیلیئر میں ایک ارتقائی ترقیاتی جینیاتی ماہر جو اس کام میں شامل نہیں تھے۔

ان کے کام کے لئے، ٹیم نے چھوٹے سکیٹ کا انتخاب کیا (Leucoraja erinacea)، جو شمالی امریکہ کے بحر اوقیانوس کے ساحل کے ساتھ آسانی سے جمع کیا جاتا ہے۔ اسے لیبارٹری میں بھی پالا جا سکتا ہے، جس نے پراجیکٹ کے حصے کے طور پر جانوروں پر ترقیاتی اور فعال تجربات کو چلانا ممکن بنایا۔ 

چھوٹے اسکیٹ کے جینوم کا دوسرے فقاری جانوروں کے جینوم سے موازنہ کرکے، محققین نے یہ طے کیا کہ اسکیٹ جینوم عام طور پر ترتیب کی سطح پر ان کے فقاری اجداد سے بہت ملتا جلتا رہا ہے۔ تاہم، کچھ قابل ذکر تنظیم نو تھے جنہوں نے جینوم کے 3D ڈھانچے کو متاثر کیا ہوگا۔ افراد کے ڈی این اے میں، اس طرح کی دوبارہ ترتیب جین ریگولیشن کو ختم کرکے بیماریوں کا سبب بن سکتی ہے۔ اس دریافت نے محققین کو یہ سوچنے پر مجبور کیا کہ آیا اسکیٹس میں دوبارہ ترتیب دینے سے ان کے جسمانی منصوبے کے لیے اصل جینیاتی ہدایات میں بھی اسی طرح خلل پڑ سکتا ہے۔ 

حدود کو توڑنا

اگر آپ کروموسوم کے ڈی این اے کی ترتیب کو دیکھیں تو اس میں موجود جینز ان جینز کی سرگرمی کو منظم کرنے والے مختصر "بڑھانے والے" سلسلے سے حیرت انگیز طور پر بہت دور دکھائی دے سکتے ہیں۔ عملی طور پر، اگرچہ، اس وجہ سے کہ سیل کے مرکزے میں موجود ڈی این اے کس طرح اپنے آپ کو جوڑتا ہے اور واپس لوٹ جاتا ہے، وہ اکثر ایک دوسرے سے زیادہ دور نہیں ہوتے ہیں۔

کشیراتی جانوروں میں، فعال طور پر متعلقہ جینز کے سیٹ اور ان کے بڑھانے والے جسمانی طور پر اکائیوں میں تین جہتوں میں اکٹھے ہوتے ہیں جنہیں ٹاپولوجیکل طور پر منسلک ڈومینز، یا TADs کہا جاتا ہے۔ باؤنڈری ریجنز اس بات کو یقینی بنانے میں مدد کرتے ہیں کہ بڑھانے والے صرف اسی TAD میں جینز پر عمل کرتے ہیں۔

تاہم، جب بڑے جینوم کی دوبارہ ترتیب ہوتی ہے - جیسا کہ ٹیم اسکیٹ کے ڈی این اے میں دیکھ رہی تھی - حدود ختم ہوسکتی ہیں، اور کروموسوم پر جین کی متعلقہ پوزیشنیں بدل سکتی ہیں۔ نتیجے کے طور پر، "کچھ بڑھانے والے غلط جین کو ہدایات فراہم کر سکتے ہیں،" وضاحت کی۔ ڈاریو لوپینیز، برلن میں میکس ڈیلبرک سینٹر میں ایک ارتقائی ماہر حیاتیات اور مطالعہ کے سینئر مصنفین میں سے ایک ہیں۔

ایسا لگتا تھا کہ اسکیٹ جینوم کے 3D فن تعمیر میں تبدیلیوں نے اسکیٹس کو ان کے شارک نما آباؤ اجداد سے وراثت میں ملنے والے جینز کے قدیم بلاکس میں خلل ڈالا ہوگا، جس سے جینز کے کام پر اثر پڑے گا۔ "ہم یہ دیکھنے کی کوشش کر رہے تھے کہ کیا چھوٹی سکیٹ میں کچھ جینوم ری آرنجمنٹس واقعی ان بلاکس کو توڑ دیتے ہیں،" کہا۔ فرڈینینڈ مارلیٹاز، یونیورسٹی کالج لندن میں جینومکسٹ اور مطالعہ کے شریک پہلے مصنف۔

محققین نے چھوٹے اسکیٹ میں جینوم کی دوبارہ ترتیب کی نشاندہی کی جو کسی دوسرے فقرے میں موجود نہیں تھے۔ پھر انہوں نے اپنی توجہ ان تبدیلیوں پر مرکوز کر دی جو کہ جینوم کی ترتیب کی بنیاد پر TADs کی سالمیت کو متاثر کرنے کا سب سے زیادہ امکان نظر آتی تھیں۔

اس کوشش نے انہیں دوبارہ ترتیب دینے کی طرف راغب کیا جس کی انہوں نے پیش گوئی کی تھی کہ TAD کی حد کو ختم کردے گا جو ایک ترقیاتی نظام کو منظم کرتا ہے جسے پلانر سیل پولرٹی (PCP) پاتھ وے کہا جاتا ہے۔ انہوں نے اس کی توقع نہیں کی تھی: PCP پاتھ وے کے معلوم افعال کے بارے میں فوری طور پر کچھ بھی نہیں بتایا گیا کہ یہ فن کی نشوونما کو منظم کرے گا۔ زیادہ تر، یہ جنین میں خلیوں کی شکل اور واقفیت قائم کرتا ہے۔

ایک نیا جینیاتی پڑوس

فن کی نشوونما پر TAD تبدیلی کے ممکنہ اثرات کو جانچنے کے لیے، ٹیٹسویا ناکاموراروٹگرز یونیورسٹی کے ایک ارتقائی ترقیاتی ماہر حیاتیات نے چھوٹے اسکیٹ ایمبریو کو PCP پاتھ وے کی روک تھام کے لیے بے نقاب کیا۔ ان کے پنکھوں کا اگلا (سامنے) کنارہ مضبوطی سے بدل گیا تھا اور سر کے ساتھ جڑنے کے لیے اس طرح نہیں بڑھتا تھا جیسا کہ عام طور پر ہوتا ہے۔ اس نے تجویز کیا کہ آبائی ٹی اے ڈی کے خلل نے جسم کے ایک نئے حصے میں پی سی پی جینز کو فعال کرکے اسکیٹ کے مخصوص پنکھوں کو پیدا کیا ہے۔

Lupiáñez نے کہا، "TAD کی یہ ترتیب بنیادی طور پر جین کے پورے ماحول کو تبدیل کرتی ہے اور جین کے آس پاس کے نئے بڑھانے والے لاتی ہے۔"

لیکن یہ صرف متعلقہ جینوم تبدیلی نہیں تھی جو محققین نے پایا۔ انہوں نے ایک بڑھانے والے میں ایک تغیر کی بھی نشاندہی کی جو ترقیاتی طور پر اہم میں کچھ جینوں کے اظہار کو منظم کرتا ہے۔ ہاکس گروپ. ہاکس جین تمام دو طرفہ ہم آہنگی والے جانوروں میں جسم کے عمومی منصوبے کی وضاحت کرتے ہیں۔ ان میں سے ایک ذیلی سیٹ، hoxa جین کا جھرمٹ، عام طور پر صرف ترقی پذیر پنکھوں کے پچھلے (پیچھے) کناروں اور اعضاء میں ظاہر ہوتا ہے، جہاں یہ ہندسوں کی تشکیل کی وضاحت کرتا ہے۔

چھوٹی سکیٹ میں، hoxa جینز پنکھ کے پچھلے اور پچھلے دونوں حصوں میں سرگرم تھے۔ Debiais-Thibaud نے کہا کہ یہ ایسا ہی تھا جیسے پنکھ کے پچھلے حصے کے ساتھ ترقی کے زون کو سامنے کے ساتھ نقل کیا گیا تھا، تاکہ جانور نے پنکھ کے پچھلے حصے پر ڈھانچے کا ایک نیا سیٹ بنایا جو پچھلے حصے کے ڈھانچے کے ساتھ ہم آہنگ تھا۔

ناکامورا نے دکھایا کہ اسکیٹ کا تبدیل شدہ اضافہ اس نئے کا سبب بن رہا ہے۔ hoxa اظہار پیٹرن. اس نے فلوروسینٹ پروٹین کے لیے اسکیٹ کے بڑھانے والے کو ایک جین کے ساتھ ملایا اور پھر اس جین کے امتزاج کو زیبرا مچھلی کے ایمبریو میں داخل کیا۔ مچھلی کے چھاتی کے پنکھوں میں غیر معمولی اضافہ ہوا، اور ان کے اگلے اور پچھلے دونوں کناروں کے ساتھ فلوروسینس نمودار ہوا، جس سے ظاہر ہوتا ہے کہ اسکیٹ کو بڑھانے والا گاڑی چلا رہا تھا۔ hoxa فن کے دونوں حصوں میں اظہار۔ جب ناکامورا نے شارک سے بڑھنے والے کے ساتھ تجربہ دہرایا تو پنکھ کی نشوونما متاثر نہیں ہوئی اور فلوروسینس پچھلے حصے تک محدود تھی۔

"لہذا اب ہم یہ سوچ رہے ہیں کہ جینیاتی تغیرات خاص طور پر اسکیٹ بڑھانے والے میں واقع ہوئے ہیں، اور یہ انوکھا کام کر سکتا ہے۔ ہاکس اسکیٹ کے پنکھوں میں جین کا اظہار، "ناکمورا نے کہا۔

زندگی کے نئے طریقوں کے لیے وضع کردہ

اسکیٹ کے ارتقاء کی تصویر میں جسے محققین نے دوبارہ تشکیل دیا ہے، کسی موقع پر اسکیٹ کا نسب شارک سے ہٹ جانے کے بعد، انہوں نے ایک بڑھانے والے میں ایک تبدیلی حاصل کی جس نے ان کے hoxa ان کے چھاتی کے پنکھوں کے سامنے اور پچھلے دونوں طرف فعال جین۔ اور پنکھ کے پچھلے حصے کے ساتھ بڑھنے والے نئے ٹشوز کے اندر، جینوم کی دوبارہ ترتیب کی وجہ سے پی سی پی پاتھ وے کو ایک مختلف ٹی اے ڈی میں بڑھانے والوں کے ذریعے چالو کیا گیا، جس کا مزید اثر ہوا کہ پنکھ کو آگے بڑھا کر جانور کے سر کے ساتھ ملایا گیا۔

امیمیا نے وضاحت کی کہ "پروں کی طرح کی ساخت بنا کر، [اسکیٹس] اب ایک بالکل مختلف ماحولیاتی طاق، سمندر کی تہہ میں رہنے کے قابل ہو گئے ہیں،" امیمیا نے وضاحت کی۔

Stingrays، mantas اور دیگر شعاعوں کا سکیٹس سے گہرا تعلق ہے (ان سب کو "batoid" مچھلیوں کے طور پر درجہ بندی کیا جاتا ہے)، اور ان کی اسی طرح کی پینکیک شکل شاید اسی جینوم کی دوبارہ ترتیب کی وجہ سے ہے۔ تاہم، شعاعوں نے اپنے پروں کی طرح کے پنکھوں کو ان طریقوں سے تبدیل کیا ہے جو بنیادی طور پر انہیں پانی کے ذریعے اڑنے کی اجازت دیتے ہیں۔ امیمیا نے کہا، "اسکیٹس میں پنکھ کی یہ بے ترتیبی ہوتی ہے اور وہ نیچے رہتی ہیں، لیکن مانٹا شعاعیں سطح پر آ سکتی ہیں اور حرکت کرنے کا بالکل مختلف طریقہ ہو سکتی ہیں،" امیمیا نے کہا۔

مارلیٹاز نے کہا کہ اگرچہ ارتقائی ترقی کے ماہرین حیاتیات نے پہلے قیاس کیا ہے کہ جینوم کے 3D فن تعمیر میں یہ تبدیلیاں ممکن ہو سکتی ہیں، لیکن یہ شاید پہلے کاغذات میں سے ایک ہے جو واضح طور پر ان کو جسمانی شکل میں کافی بڑی تبدیلیوں سے جوڑتا ہے۔

Lupiáñez کا یہ بھی خیال ہے کہ ان نتائج کی اہمیت ہے جو سکیٹس کی سمجھ سے کہیں زیادہ ہے۔ "یہ ارتقاء کے بارے میں سوچنے کا بالکل نیا طریقہ ہے،" انہوں نے کہا۔ ساختی تنظیم نو "ایک جین کو ایسی جگہ پر فعال کرنے کا سبب بن سکتی ہے جہاں اسے نہیں ہونا چاہئے۔" انہوں نے مزید کہا: "یہ بیماری کا ایک طریقہ کار ہو سکتا ہے، لیکن یہ ارتقاء کے ڈرائیور کے طور پر بھی کام کر سکتا ہے۔"