ガンギケと呼ばれる海洋生物は、翼のような胸鰭を波立たせながら海底を滑走し、自分自身を推進したり、砂の中に隠れている小さな生物をかき混ぜたりします。 彼らの異常な平らな体形は、彼らを海で最も奇妙な魚の科の285つにしており、彼らが約XNUMX億XNUMX万年前に泳いでいた流線型のサメのような肉食動物から進化したことはさらに奇妙に思えます。 

今回、研究者らは、ガンギエイがどのようにその特徴的なプロフィールを進化させたのかを発見した。つまり、ガンギエイの DNA 配列の再構成によりゲノムの 3D 構造が変化し、重要な発生遺伝子とそれらを支配する制御配列との間の古代のつながりが破壊された。 これらの変化は、動物の体の計画を書き換えました。 科学者たちは 彼らの発見を報告した in 自然 4月インチ

この発見は、発達を指示する遺伝的メカニズムにそれを突き付けることで、スケート靴の進化的変化の謎を解決します。 「化石の記録にはこの変化が起こったことがわかりますが、実際にはどのように起こったのでしょうか?」 言った クリス雨宮カリフォルニア大学マーセド校の分子遺伝学者だが、この新しい研究には関与していない。 「これは古典的なエボデボの質問です。」

スケート靴の新しい体型の起源を解明するために、進化ゲノミストは数年前に ホセ・ルイス・ゴメス・スカルメタ ゲノミクス研究者と進化発生生物学者からなる多様な国際チームを編成しました。 チームが必要となったのは、最初のステップがガンギエイのゲノムを配列して組み立てることであり、ガンギエイやサメなどの軟骨魚類のゲノムをコンパイルするのが恐ろしく難しいためでもある。

「それらは巨大で、しばしばヒトゲノムよりも大きいため、組み立てるのは非常に困難です」と氏は述べた。 メラニー・ドゥビア＝ティボー、フランスのモンペリエ大学の進化発生遺伝学者ですが、この研究には関与していませんでした。

彼らの仕事のために、チームは小さなスケート靴を選びました（Leucoraja erinacea）、北米の大西洋岸に沿って簡単に収集できます。 実験室で飼育することもできるため、プロジェクトの一環として動物の発生および機能実験を行うことが可能になりました。 

研究者らは、小さなガンギエイのゲノムを他の脊椎動物のゲノムと比較することにより、ガンギエイのゲノムが一般的に配列レベルで脊椎動物の祖先のゲノムと非常に類似したままであることを確認した。 ただし、ゲノムの 3D 構造に影響を与える可能性のある注目すべき再構成がいくつかありました。 個人の DNA では、このような再構成が遺伝子制御を狂わせ、病気を引き起こす可能性があります。 この発見により研究者らは、スケート靴の再配置も同様に、身体設計に対する元の遺伝的指示を混乱させたのではないかと考えた。 

境界を打ち破る

染色体の DNA 配列を見ると、その中の遺伝子は、その遺伝子の活性を調節する短い「エンハンサー」配列から驚くほど遠く離れているように見えることがあります。 しかし、実際には、細胞核内の DNA がどのようにコイル状になり、折り畳まれ、折り返されるのかにより、それらはほとんど離れていないことがよくあります。

脊椎動物では、機能的に関連する遺伝子とそのエンハンサーのセットが、位相関連ドメイン (TAD) と呼ばれる単位で XNUMX 次元に物理的にグループ化されています。 境界領域は、エンハンサーが同じ TAD 内の遺伝子にのみ作用することを保証するのに役立ちます。

しかし、チームがスケート靴の DNA で観察していたような大規模なゲノム再構成が発生すると、境界が失われ、染色体上の遺伝子の相対的な位置が変化する可能性があります。 その結果、「一部のエンハンサーは間違った遺伝子に指示を与える可能性がある」と説明した。 ダリオ・ルピアネス、ベルリンのマックス・デルブリュックセンターの進化生物学者であり、この研究の上級著者のXNUMX人です。

スケートゲノムの3D構造の変化により、スケートがサメのような祖先から受け継いだ古代の遺伝子ブロックが破壊され、遺伝子の機能に影響を与えた可能性があるようだ。 「私たちは、小さなスケート靴の一部のゲノム再構成が実際にこれらのブロックを打ち破るかどうかを調べようとしていました」と述べた。 フェルディナンド・マルレタス、ユニバーシティ・カレッジ・ロンドンのゲノミストであり、この研究の共同筆頭著者である。

研究者らは、他の脊椎動物には存在しないゲノム再構成を小さなガンギエイで特定した。 次に、ゲノム配列に基づいて、TAD の完全性に影響を与える可能性が最も高いと思われる変更に焦点を絞りました。

この取り組みにより、平面細胞極性 (PCP) 経路と呼ばれる発生システムを調節する TAD の境界がなくなるだろうと彼らは予測した再配置に至りました。 彼らはそれを予想していませんでした。PCP 経路の既知の機能については、それがヒレの発達を調節することを直ちに示唆するものは何もありませんでした。 主に、胚内の細胞の形状と方向を確立します。

新しい遺伝的近隣地域

TAD の変更がフィンの開発に及ぼす潜在的な影響をテストするには、 中村哲也ラトガース大学の進化発生生物学者である彼は、小さなスケートの胚をPCP経路の阻害剤に曝露させた。 ヒレの前端は大きく変化しており、通常のように頭と結合するように成長しませんでした。 それは、祖先のTADの破壊が体の新しい部分のPCP遺伝子を活性化することによってスケートの特徴的なヒレを生み出したことを示唆している。

「このTADの再構成は基本的に遺伝子の環境全体を変化させ、遺伝子の近くに新しいエンハンサーをもたらします」とルピアニェス氏は語った。

しかし、研究者らが発見した関連するゲノム変化はこれだけではありませんでした。 彼らはまた、発達上重要な遺伝子の発現を調節するエンハンサーの変異も特定した。 ホックス グループ。 ホックス 遺伝子は、すべての左右対称な動物の一般的なボディプランを指定します。 そのうちの XNUMX つのサブセット、 ホクサ 遺伝子クラスターは、通常、発達中のヒレの後端（後端）と四肢でのみ発現され、指の形成を決定します。

小さなスケートでは、 ホクサ 遺伝子はヒレの後部と前部の両方で活性でした。 まるでヒレの後ろに沿った成長ゾーンが前に沿って複製されたかのようだったので、動物はヒレの前部に後部の構造と対称的な一連の新しい構造を作成したとデビア・ティボー氏は述べた。

ナカムラは、スケート靴の突然変異エンハンサーがこの新たな症状を引き起こしていることを示した。 ホクサ 表現パターン。 彼はガンギエイのエンハンサーと蛍光タンパク質の遺伝子を組み合わせ、その遺伝子の組み合わせをゼブラフィッシュの胚に挿入した。 この魚の胸鰭は異常に成長し、その前縁と後縁の両方に沿って蛍光が現れ、これはガンギエイのエンハンサーが作動していることを示していました。 ホクサ ヒレの両方の部分の表現。 ナカムラ氏がサメのエンハンサーを使って実験を繰り返したところ、ヒレの成長は影響を受けず、蛍光は後方に限定された。

「したがって、現在私たちは、遺伝子変異が特にスケートエンハンサーで発生し、それが独特のスケートボードのエンハンサーを引き起こす可能性があると考えています。 ホックス スケート靴のフィンにおける遺伝子発現です」と中村氏は語った。

新しい生活様式に合わせた形

研究者らが再構築したスケートの進化の全体像では、スケートの系統がサメから分岐した後のある時点で、彼らはエンハンサーに突然変異を獲得し、 ホクサ 遺伝子は胸鰭の前部と後部の両方で活性化されています。 そして、ヒレの前部に沿って成長する新しい組織内では、ゲノムの再構成により、別の TAD のエンハンサーによって PCP 経路が活性化され、その結果、ヒレが前方に伸びて動物の頭部と融合するというさらなる効果がありました。

「翼のような構造を形成することで、（ガンギエイは）海底という全く異なる生態学的ニッチに生息できるようになりました」と雨宮氏は説明した。

アカエイ、マンタ、その他のエイはガンギエイと密接に関連しており (これらはすべて「バトイド」魚に分類されます)、それらの同様のパンケーキ状の形状は、おそらく同じゲノム再構成によるものと考えられます。 しかし、エイは基本的に水中を飛べるように翼のようなひれも改造しています。 「スケート靴はフィンに凹凸があり、底に留まりますが、マンタは水面に出てきて、まったく異なる移動方法をとります」と雨宮氏は言う。

進化発生生物学者らはこれまで、ゲノムの3D構造におけるこうした変化が起こり得る可能性があると推測してきたが、これはおそらく、それらを体の形のかなり大きな変化と明確に関連づけた最初の論文のXNUMXつであるとマルレタス氏は述べた。

ルピアニェス氏はまた、この発見にはスケート靴の理解をはるかに超えた重要性があると信じている。 「これは進化についての全く新しい考え方です」と彼は言う。 構造の再配置により、「遺伝子が本来あるべきではない場所で活性化される可能性がある」。 同氏はさらに、「これは病気のメカニズムである可能性があるが、進化の原動力としても機能する可能性がある」と付け加えた。