تتسلل الكائنات البحرية التي تسمى الزلاجات على طول قاع البحر ، وتموج زعانفها الصدرية الشبيهة بالجناح لدفع نفسها وإثارة المخلوقات الصغيرة المختبئة في الرمال. إن مخطط أجسامهم المسطحة غير الاعتيادية يجعلها واحدة من أغرب عائلات الأسماك في البحر ، ويبدو أكثر غرابة أنها تطورت من آكلات اللحوم المبسطة التي تشبه أسماك القرش التي سبحت منذ حوالي 285 مليون سنة. 

اكتشف الباحثون الآن كيف طورت الزلاجات صورتها المميزة: أدت عمليات إعادة الترتيب في تسلسل الحمض النووي للتزلج إلى تغيير البنية ثلاثية الأبعاد لجينومها وعطلت الروابط القديمة بين الجينات التنموية الرئيسية والتسلسلات التنظيمية التي تحكمها. هذه التغييرات بدورها أعادت صياغة خطة جسم الحيوان. العلماء ذكرت النتائج التي توصلوا إليها in الطبيعة في ابريل نيسان.

يحل هذا الاكتشاف لغز التحول التطوري للزلاجات من خلال تثبيته على الآليات الجينية التي توجه التطور. "يخبرك سجل الحفريات أن هذا التغيير قد حدث ، ولكن كيف حدث بالفعل؟" قال كريس اميميا، عالم الوراثة الجزيئية في جامعة كاليفورنيا ، ميرسيد الذي لم يشارك في الدراسة الجديدة. "هذا سؤال evo-devo كلاسيكي."

للكشف عن أصول الشكل الجديد لجسم الزلاجات ، قبل بضع سنوات عالم الجينوم التطوري خوسيه لويس جوميز سكارميتا قام بتجميع فريق دولي متنوع من باحثي الجينوم وعلماء الأحياء التطورية التطورية. كانت هناك حاجة إلى فريق جزئيًا لأن الخطوة الأولى ستكون تسلسل وتجميع جينوم التزلج ، وتجميع جينومات الأسماك الغضروفية مثل الزلاجات وأسماك القرش أمر صعب للغاية.

قال: "من الصعب حقًا تجميعها معًا ، لأنها ضخمة - وغالبًا ما تكون أكبر من الجينوم البشري" ميلاني ديبيايس تيبود، عالم الوراثة التطورية التطورية بجامعة مونبلييه في فرنسا ولم يشارك في العمل.

لعملهم ، اختار الفريق المتزلج الصغير (ليوكوراجا إريناسيا) ، والتي يتم جمعها بسهولة على طول ساحل المحيط الأطلسي لأمريكا الشمالية. يمكن أيضًا تربيته في المختبر ، مما جعل من الممكن إجراء تجارب تطورية ووظيفية على الحيوانات كجزء من المشروع. 

بمقارنة جينوم الزلاجة الصغيرة بجينومات الفقاريات الأخرى ، قرر الباحثون أن جينوم الزلاجة ظل بشكل عام مشابهًا جدًا لجينوم أسلافهم الفقاريات على مستوى التسلسل. ومع ذلك ، كان هناك عدد قليل من عمليات إعادة الترتيب الملحوظة التي من شأنها أن تؤثر على بنية الجينوم ثلاثية الأبعاد. في الحمض النووي للأفراد ، يمكن أن تسبب إعادة الترتيب الأمراض عن طريق التخلص من التنظيم الجيني. قاد هذا الاكتشاف الباحثين إلى التساؤل عما إذا كانت إعادة ترتيب الزلاجات قد تكون قد عطلت بالمثل التعليمات الجينية الأصلية لخطة أجسامهم. 

كسر الحدود

إذا نظرت إلى تسلسل الحمض النووي للكروموسوم ، فإن الجينات الموجودة فيه يمكن أن تبدو بعيدة بشكل مدهش عن تسلسلات "المحسن" القصيرة التي تنظم نشاط تلك الجينات. من الناحية العملية ، على الرغم من ذلك ، نظرًا لكيفية التفاف الحمض النووي في نواة الخلية ، وطياتها ، وحلقاتها مرة أخرى على نفسها ، فغالبًا ما لا تكون متباعدة على الإطلاق.

في الفقاريات ، يتم تجميع مجموعات من الجينات المرتبطة وظيفيًا ومعززاتها معًا في ثلاثة أبعاد في وحدات تسمى المجالات المرتبطة طوبولوجيًا ، أو TADs. تساعد المناطق الحدودية على ضمان أن المعززات تعمل فقط على الجينات في نفس TAD.

ومع ذلك ، عندما تحدث عمليات إعادة ترتيب رئيسية للجينوم - مثل تلك التي كان الفريق يراها في الحمض النووي للتزلج - يمكن فقد الحدود ، ويمكن أن تتغير المواضع النسبية للجينات على الكروموسومات. نتيجة لذلك ، "يمكن لبعض المعززات أن تقدم تعليمات للجين الخطأ" ، أوضح داريو لوبيانيز، عالم أحياء تطوري في مركز ماكس ديلبروك في برلين وأحد كبار مؤلفي الدراسة.

بدا من الممكن أن التغييرات في البنية ثلاثية الأبعاد لجينوم التزحلق ربما تكون قد عطلت الكتل القديمة للجينات التي ورثتها الزلاجات من أسلافها الشبيهة بأسماك القرش ، مما يؤثر على وظيفة الجينات. قال: "كنا نحاول أن نفحص ما إذا كانت بعض عمليات إعادة ترتيب الجينوم في الزلاجة الصغيرة تكسر بالفعل هذه الكتل" فرديناند مارليتاز، عالم الجينوم في كلية لندن الجامعية والمؤلف الأول المشارك للدراسة.

حدد الباحثون إعادة ترتيب الجينوم في الزلاجة الصغيرة التي لم تكن موجودة في أي فقاريات أخرى. ثم قاموا بتضييق نطاق تركيزهم على التغييرات التي يبدو أنه من المرجح أن تؤثر على سلامة أجهزة TAD ، بناءً على تسلسل الجينوم.

قادهم هذا الجهد إلى إعادة الترتيب التي توقعوا أنها ستزيل حدود TAD التي تنظم نظامًا تطوريًا يسمى مسار قطبية الخلية المستوية (PCP). لم يتوقعوا ما يلي: لم يشر أي شيء بخصوص الوظائف المعروفة لمسار PCP على الفور إلى أنه سينظم تطور الزعانف. في الغالب ، يحدد شكل واتجاه الخلايا في الأجنة.

حي وراثي جديد

لاختبار التأثير المحتمل لتغيير TAD على تطوير الزعانف ، تيتسويا ناكامورا، عالم الأحياء التطوري التطوري في جامعة روتجرز ، كشف أجنة الزلاجات الصغيرة لمثبط مسار PCP. تم تغيير الحافة الأمامية (الأمامية) لزعانفهم بشدة ولم تكبر لتلتصق بالرأس كما تفعل عادةً. واقترح أن تمزق TAD الأسلاف قد أنتج زعانف مميزة للتزلج عن طريق تنشيط جينات PCP في جزء جديد من الجسم.

قال لوبيانيز: "إن إعادة ترتيب TAD يغير بشكل أساسي البيئة الكاملة للجين ويجلب معززات جديدة في محيط الجين".

لكن هذا لم يكن التغيير الجينومي الوحيد ذي الصلة الذي وجده الباحثون. كما حددوا طفرة في مُحسِّن ينظم التعبير عن بعض الجينات ذات الأهمية التنموية هوكس المجموعة. هوكس تحدد الجينات مخطط الجسم العام في جميع الحيوانات المتناظرة ثنائية الأطراف. مجموعة فرعية منها ، و هوكسا عادةً ما يتم التعبير عن مجموعة الجينات فقط في الحواف الخلفية (الخلفية) للزعانف النامية والأطراف ، حيث تحدد تكوين الأصابع.

في التزلج الصغير ، فإن هوكسا كانت الجينات نشطة في كل من الأجزاء الخلفية والأمامية من الزعنفة. كان الأمر كما لو أن منطقة النمو على طول الجزء الخلفي من الزعنفة قد تم تكرارها على طول الجبهة ، بحيث صنع الحيوان مجموعة جديدة من الهياكل على الجزء الأمامي من الزعنفة والتي كانت متماثلة مع الهياكل الموجودة على الجزء الخلفي ، كما قال ديبيايس-تيبود.

أظهر ناكامورا أن مُحسِّن التزحلق المتحور هو سبب هذا الجديد هوكسا نمط التعبير. قام بدمج مُحسِّن التزحلق مع جين لبروتين مضيء ثم أدخل هذا المزيج الجيني في أجنة أسماك الزيبرا. نمت الزعانف الصدرية للأسماك بشكل غير طبيعي ، وظهر التألق على طول حوافها الأمامية والخلفية ، مما أظهر أن مُحسِّن التزحلق كان يقود هوكسا التعبير في كلا جزأي الزعنفة. عندما كرر ناكامورا التجربة باستخدام مُحسِّن من سمكة قرش ، لم يتأثر نمو الزعنفة وكان التألق مقصورًا على الجزء الخلفي.

"لذلك نحن نفكر الآن في أن الطفرات الجينية حدثت على وجه التحديد في مُحسِّن التزلج ، ويمكن أن يؤدي ذلك إلى حدوث فريد هوكس التعبير الجيني في زعانف التزلج ، "قال ناكامورا.

تم تشكيلها لتناسب طرق الحياة الجديدة

في صورة تطور التزحلق التي أعاد الباحثون تكوينها ، في مرحلة ما بعد تباعد سلالة التزحلق عن أسماك القرش ، حصلوا على طفرة في مُحسِّن جعلهم هوكسا الجينات النشطة في كل من الجزء الأمامي والخلفي من زعانفها الصدرية. وداخل الأنسجة الجديدة التي تنمو على طول الجزء الأمامي من الزعنفة ، تسببت إعادة ترتيب الجينوم في تنشيط مسار PCP بواسطة معززات في TAD مختلف ، والذي كان له تأثير إضافي في جعل الزعنفة تمتد للأمام وتندمج مع رأس الحيوان.

وأوضح أميميا: "من خلال تشكيل الهيكل الشبيه بالجناح ، أصبحت الزلاجات الآن قادرة على العيش في مكان بيئي مختلف تمامًا ، وهو قاع المحيط".

ترتبط أسماك الراي اللساع والمانتا والأشعة الأخرى ارتباطًا وثيقًا بالزلاجات (تُصنف جميعها على أنها أسماك "باتويد") ، وربما يرجع شكلها المشابه إلى نفس إعادة ترتيب الجينوم. ومع ذلك ، قامت الأشعة أيضًا بتعديل زعانفها الشبيهة بالأجنحة بطرق تسمح لها بشكل أساسي بالطيران عبر الماء. قال أميميا: "الزلاجات لها تموجات الزعنفة هذه وتبقى في القاع ، لكن شعاع البحر يمكن أن يظهر على السطح ويكون له طريقة مختلفة تمامًا في الحركة".

قال مارليتاز إنه على الرغم من أن علماء الأحياء التطورية التطورية قد تكهنوا سابقًا بأن هذه التغييرات في الهندسة المعمارية ثلاثية الأبعاد للجينوم قد تكون ممكنة ، فمن المحتمل أن تكون هذه واحدة من الأوراق الأولى التي تربطها بوضوح بتغييرات كبيرة إلى حد ما في شكل الجسم.

يعتقد Lupiáñez أيضًا أن للنتائج أهمية تتجاوز بكثير فهم الزلاجات. قال "هذه طريقة جديدة تمامًا للتفكير في التطور". يمكن أن تتسبب عمليات إعادة الترتيب الهيكلية في "تنشيط الجين في مكان لا ينبغي أن يكون فيه". وأضاف: "يمكن أن تكون هذه آلية للمرض ، لكنها يمكن أن تكون أيضًا محركًا للتطور".