Làm thế nào những thay đổi 3D trong bộ gen đã biến cá mập thành giày trượt | Tạp chí lượng tử

Các sinh vật biển được gọi là giày trượt lướt dọc theo đáy biển, gợn sóng những chiếc vây ngực giống như cánh của chúng để tự đẩy mình và khuấy động những sinh vật nhỏ đang ẩn náu trong cát. Kế hoạch cơ thể dẹt bất thường của chúng khiến chúng trở thành một trong những họ cá kỳ lạ nhất ở biển, và thậm chí còn kỳ lạ hơn khi chúng tiến hóa từ những loài ăn thịt giống như cá mập đã bơi cách đây khoảng 285 triệu năm. 

Giờ đây, các nhà nghiên cứu đã khám phá ra cách giày trượt phát triển hồ sơ đặc biệt của chúng: Sự sắp xếp lại trong trình tự DNA của giày trượt làm thay đổi cấu trúc 3D của bộ gen và phá vỡ các kết nối cổ xưa giữa các gen phát triển quan trọng và trình tự quy định chi phối chúng. Những thay đổi đó lần lượt phác thảo lại kế hoạch cơ thể của động vật. các nhà khoa học báo cáo phát hiện của họ in Thiên nhiên trong tháng tư.

Khám phá này giải quyết bí ẩn về quá trình biến đổi tiến hóa của giày trượt bằng cách xác định nó dựa trên các cơ chế di truyền chỉ đạo sự phát triển. “Hồ sơ hóa thạch cho bạn biết sự thay đổi này đã xảy ra, nhưng nó thực sự xảy ra như thế nào?” nói Chris Aemiya, một nhà di truyền học phân tử tại Đại học California, Merced, người không tham gia vào nghiên cứu mới. “Đây là một câu hỏi evo-devo cổ điển.”

Để khám phá nguồn gốc hình dạng cơ thể mới lạ của giày trượt, cách đây vài năm, nhà di truyền học tiến hóa José Luis Gómez-Skarmeta đã tập hợp một nhóm quốc tế gồm các nhà nghiên cứu bộ gen và các nhà sinh học phát triển tiến hóa. Một nhóm cần thiết một phần vì bước đầu tiên sẽ là giải trình tự và lắp ráp bộ gen của một con cá trượt, và việc biên soạn bộ gen của các loài cá sụn như cá trượt và cá mập là cực kỳ khó.

“Chúng thực sự rất khó để ghép lại với nhau, bởi vì chúng rất lớn — thường lớn hơn cả bộ gen của con người,” cho biết Mélanie Debiais-Thibaud, một nhà di truyền học phát triển tiến hóa tại Đại học Montpellier ở Pháp, người không tham gia vào công việc.

Đối với công việc của họ, nhóm đã chọn chiếc giày trượt nhỏ (Leucoraja erinacea), được thu thập dễ dàng dọc theo bờ biển Đại Tây Dương của Bắc Mỹ. Nó cũng có thể được nuôi trong phòng thí nghiệm để có thể tiến hành các thí nghiệm phát triển và chức năng trên động vật như một phần của dự án. 

Bằng cách so sánh bộ gen của loài giày trượt nhỏ với bộ gen của các loài động vật có xương sống khác, các nhà nghiên cứu đã xác định rằng bộ gen của loài trượt băng nói chung vẫn rất giống với bộ gen của tổ tiên động vật có xương sống của chúng ở cấp độ trình tự. Tuy nhiên, có một vài sự sắp xếp lại đáng chú ý sẽ ảnh hưởng đến cấu trúc 3D của bộ gen. Trong DNA của các cá nhân, sự sắp xếp lại như vậy có thể gây ra bệnh bằng cách loại bỏ quy định gen. Phát hiện này khiến các nhà nghiên cứu tự hỏi liệu sự sắp xếp lại ở giày trượt có thể đã phá vỡ tương tự các hướng dẫn di truyền ban đầu cho kế hoạch cơ thể của chúng hay không. 

Phá vỡ ranh giới

Nếu bạn nhìn vào trình tự DNA của một nhiễm sắc thể, các gen trong đó có vẻ khác xa một cách đáng ngạc nhiên với các trình tự “tăng cường” ngắn điều chỉnh hoạt động của các gen đó. Tuy nhiên, trên thực tế, do cách thức DNA trong nhân tế bào cuộn, gấp và lặp lại chính nó nên chúng thường không cách xa nhau chút nào.

Ở động vật có xương sống, các bộ gen liên quan đến chức năng và các gen tăng cường của chúng được nhóm vật lý với nhau theo ba chiều trong các đơn vị được gọi là miền liên kết cấu trúc liên kết hoặc TAD. Các vùng ranh giới giúp đảm bảo rằng các chất tăng cường chỉ tác động lên các gen trong cùng một TAD.

Tuy nhiên, khi sự sắp xếp lại bộ gen chính xảy ra — giống như những gì nhóm nghiên cứu đã thấy trong DNA của người trượt băng — ranh giới có thể bị mất và vị trí tương đối của các gen trên nhiễm sắc thể có thể thay đổi. Do đó, “một số chất tăng cường có thể cung cấp hướng dẫn cho gen sai,” giải thích Dario Lupiáñez, một nhà sinh vật học tiến hóa tại Trung tâm Max Delbrück ở Berlin và là một trong những tác giả chính của nghiên cứu.

Có vẻ như những thay đổi trong cấu trúc 3D của bộ gen giày trượt có thể đã phá vỡ các khối gen cổ xưa mà giày trượt được thừa hưởng từ tổ tiên giống cá mập của chúng, ảnh hưởng đến chức năng của gen. “Chúng tôi đang cố gắng xem liệu một số sắp xếp lại bộ gen trong chiếc giày trượt nhỏ có thực sự phá vỡ các khối này hay không,” cho biết Ferdinand Marlétaz, một nhà gen học tại Đại học College London và là đồng tác giả đầu tiên của nghiên cứu.

Các nhà nghiên cứu đã xác định được sự sắp xếp lại bộ gen ở loài giày trượt nhỏ không có ở bất kỳ động vật có xương sống nào khác. Sau đó, họ thu hẹp trọng tâm của mình vào những thay đổi dường như có khả năng ảnh hưởng nhất đến tính toàn vẹn của TAD, dựa trên trình tự bộ gen.

Nỗ lực này đã đưa họ đến một sự sắp xếp lại mà họ dự đoán sẽ loại bỏ ranh giới của TAD điều chỉnh một hệ thống phát triển được gọi là con đường phân cực tế bào phẳng (PCP). Họ không ngờ rằng: Không có gì về các chức năng đã biết của con đường PCP ngay lập tức gợi ý rằng nó sẽ điều chỉnh sự phát triển của vây. Chủ yếu, nó thiết lập hình dạng và hướng của các tế bào trong phôi.

Một vùng lân cận di truyền mới

Để kiểm tra tác động tiềm năng của thay đổi TAD đối với sự phát triển của vây, Tetsuya Nakamura, một nhà sinh vật học phát triển tiến hóa tại Đại học Rutgers, đã cho các phôi trượt ván nhỏ tiếp xúc với chất ức chế con đường PCP. Mép trước (phía trước) của vây của chúng bị biến đổi mạnh và không mọc ra để nối với đầu như bình thường. Nó gợi ý rằng sự gián đoạn của TAD tổ tiên đã tạo ra vây đặc biệt của loài trượt băng bằng cách kích hoạt gen PCP trong một bộ phận mới của cơ thể.

Lupiáñez cho biết: “Sự sắp xếp lại TAD này về cơ bản thay đổi toàn bộ môi trường của gen và đưa các chất tăng cường mới vào vùng lân cận của gen.

Nhưng đó không phải là sự thay đổi bộ gen có liên quan duy nhất mà các nhà nghiên cứu tìm thấy. Họ cũng đã xác định được một đột biến trong một chất tăng cường điều chỉnh sự biểu hiện của một số gen trong vùng quan trọng về mặt phát triển. hox nhóm. hox gen quy định sơ đồ cơ thể chung ở tất cả các loài động vật đối xứng hai bên. Một tập hợp con của chúng, hoxa cụm gen, thường chỉ biểu hiện ở mép sau (mặt sau) của các vây đang phát triển và ở các chi, nơi nó quy định sự hình thành các chữ số.

Trong ván trượt nhỏ, hoxa gen hoạt động ở cả phần trước và sau của vây. Debiais-Thibaud cho biết, dường như vùng tăng trưởng dọc theo mặt sau của vây đã được nhân đôi dọc theo mặt trước, do đó con vật đã tạo ra một bộ cấu trúc mới ở mặt trước của vây đối xứng với các cấu trúc ở mặt sau.

Nakamura đã chỉ ra rằng chất tăng cường đột biến của ván trượt đã gây ra cái mới này hoxa mẫu biểu. Ông đã kết hợp chất tăng cường của giày trượt băng với một gen tạo ra protein huỳnh quang và sau đó đưa tổ hợp gen đó vào phôi cá ngựa vằn. Vây ngực của con cá phát triển bất thường và huỳnh quang xuất hiện dọc theo cả mép trước và mép sau của chúng, điều này cho thấy chất tăng cường của chiếc ván trượt đang điều khiển hoxa biểu hiện ở cả hai phần của vây. Khi Nakamura lặp lại thí nghiệm với chất tăng cường từ một con cá mập, sự phát triển của vây không bị ảnh hưởng và sự phát huỳnh quang bị giới hạn ở phần sau.

“Vì vậy, bây giờ chúng tôi đang nghĩ rằng các đột biến gen xảy ra đặc biệt trong công cụ tăng cường trượt băng và điều đó có thể tạo ra những thay đổi độc đáo. hox Nakamura nói.

Định hình cho những cách sống mới

Trong bức tranh về sự tiến hóa của cá trượt mà các nhà nghiên cứu đã dựng lại, tại một thời điểm nào đó sau khi dòng dõi cá trượt tách khỏi cá mập, chúng đã nhận được một đột biến trong một chất tăng cường khiến chúng hoxa gen hoạt động ở cả phía trước và phía sau vây ngực của chúng. Và trong các mô mới phát triển dọc theo phía trước của vây, sự sắp xếp lại bộ gen đã khiến con đường PCP được kích hoạt bởi các chất tăng cường trong một TAD khác, điều này có thêm tác dụng làm cho vây vươn ra phía trước và hợp nhất với đầu của con vật.

Amemiya giải thích: “Bằng cách hình thành cấu trúc giống như đôi cánh, [the skates] giờ đây có thể sinh sống ở một hốc sinh thái hoàn toàn khác, đó là đáy đại dương.

Cá đuối gai độc, cá đuối và các loài cá đuối khác có họ hàng gần với cá đuối (chúng đều được phân loại là cá “dơi”), và hình dạng bánh kếp tương tự của chúng có lẽ là do sự sắp xếp lại bộ gen giống nhau. Tuy nhiên, cá đuối cũng đã sửa đổi vây giống như cánh của chúng theo những cách cơ bản cho phép chúng bay trong nước. Amemiya cho biết: “Giày trượt có những đường gợn sóng này của vây và ở dưới đáy, nhưng cá đuối có thể nổi lên bề mặt và có một cách vận động hoàn toàn khác.

Mặc dù các nhà sinh học phát triển tiến hóa trước đây đã suy đoán rằng những thay đổi này trong cấu trúc 3D của bộ gen có thể xảy ra, nhưng đây có lẽ là một trong những bài báo đầu tiên liên kết rõ ràng chúng với những thay đổi khá lớn về hình dạng cơ thể, Marlétaz nói.

Lupiáñez cũng tin rằng những phát hiện này có ý nghĩa vượt xa sự hiểu biết về giày trượt. “Đây là một cách hoàn toàn mới để suy nghĩ về sự tiến hóa,” ông nói. Sắp xếp lại cấu trúc “có thể khiến một gen được kích hoạt ở nơi không nên hoạt động”. Ông nói thêm: “Đây có thể là một cơ chế gây bệnh, nhưng nó cũng có thể đóng vai trò là động lực của sự tiến hóa.”