Zephyrnet-logo

Hoe 3D-veranderingen in het genoom haaien in schaatsen veranderden | Quanta-tijdschrift

Datum:

Introductie

De zeedieren die schaatsen worden genoemd, scheren over de zeebodem en kabbelen met hun vleugelachtige borstvinnen om zichzelf voort te stuwen en om kleine wezens die zich in het zand verbergen op te hitsen. Hun ongebruikelijke afgeplatte lichaamsplan maakt ze tot een van de vreemdste families van vissen in de zee, en het lijkt nog vreemder dat ze zijn geëvolueerd uit gestroomlijnde, haaienachtige carnivoren die ongeveer 285 miljoen jaar geleden zwommen. 

Nu hebben onderzoekers ontdekt hoe schaatsen hun kenmerkende profiel ontwikkelden: herschikkingen in de DNA-sequentie van de schaats veranderden de 3D-structuur van het genoom en verstoorden oude verbindingen tussen belangrijke ontwikkelingsgenen en de regulerende sequenties die hen regeerden. Die veranderingen hebben op hun beurt het lichaamsplan van het dier opnieuw opgesteld. De wetenschappers rapporteerden hun bevindingen in NATUUR in april.

De ontdekking lost het mysterie van de evolutionaire transformatie van de skates op door het vast te pinnen op genetische mechanismen die de ontwikkeling sturen. "Het fossielenbestand vertelt je dat deze verandering heeft plaatsgevonden, maar hoe is het eigenlijk gebeurd?" gezegd Chris Amemia, een moleculair geneticus aan de Universiteit van Californië, Merced die niet betrokken was bij de nieuwe studie. "Dit is een klassieke evo-devo-vraag."

Om de oorsprong van de nieuwe lichaamsvorm van schaatsen te ontdekken, een paar jaar geleden de evolutionaire genomicist José Luis Gómez-Skarmeta bracht een divers internationaal team van genomics-onderzoekers en evolutionaire ontwikkelingsbiologen samen. Er was een team nodig, deels omdat de eerste stap zou zijn om het genoom van een vleet te sequensen en samen te stellen, en het samenstellen van het genoom van kraakbeenachtige vissen zoals vleten en haaien is verschrikkelijk moeilijk.

"Ze zijn heel moeilijk in elkaar te zetten, omdat ze enorm zijn - vaak groter dan het menselijk genoom," zei Mélanie Debiais Thibaud, een evolutionaire ontwikkelingsgeneticus aan de Universiteit van Montpellier in Frankrijk die niet bij het werk betrokken was.

Voor hun werk selecteerde het team de kleine schaats (Leucoraja erinacea), die gemakkelijk wordt verzameld langs de Atlantische kust van Noord-Amerika. Het kan ook in een laboratorium worden gekweekt, waardoor het mogelijk werd om ontwikkelings- en functionele experimenten op de dieren uit te voeren als onderdeel van het project. 

Door het genoom van de kleine vleet te vergelijken met het genoom van andere gewervelde dieren, stelden de onderzoekers vast dat het vleetgenoom over het algemeen erg lijkt op dat van hun gewervelde voorouders op sequentieniveau. Er waren echter een paar opmerkelijke herschikkingen die de 3D-structuur van het genoom zouden hebben beïnvloed. In het DNA van individuen kunnen dergelijke herschikkingen ziekten veroorzaken door genregulatie te verstoren. De ontdekking bracht de onderzoekers ertoe zich af te vragen of de herschikkingen in schaatsen op dezelfde manier de oorspronkelijke genetische instructies voor hun lichaamsplan zouden hebben verstoord. 

Grenzen doorbreken

Als je naar de DNA-sequentie van een chromosoom kijkt, kunnen de genen daarin verrassend ver verwijderd lijken van de korte "enhancer"-sequenties die de activiteit van die genen reguleren. In de praktijk echter, vanwege de manier waarop het DNA in een celkern zich oprolt, vouwt en terugdraait, zijn ze vaak helemaal niet ver uit elkaar.

Bij gewervelde dieren zijn sets van functioneel verwante genen en hun versterkers fysiek gegroepeerd in drie dimensies in eenheden die topologisch geassocieerde domeinen of TAD's worden genoemd. Grensgebieden helpen ervoor te zorgen dat versterkers alleen werken op genen in dezelfde TAD.

Introductie

Wanneer er echter grote herschikkingen van het genoom plaatsvinden - zoals degene die het team zag in het DNA van de schaats - kunnen grenzen verloren gaan en kunnen de relatieve posities van genen op chromosomen veranderen. Dientengevolge kunnen "sommige versterkers instructies geven aan het verkeerde gen", legt uit Dario Lupiánez, een evolutiebioloog aan het Max Delbrück Center in Berlijn en een van de senior auteurs van de studie.

Het leek mogelijk dat de veranderingen in de 3D-architectuur van het schaatsgenoom de oude genenblokken die de schaatsen erfden van hun haaienachtige voorouders hadden verstoord, waardoor de functie van de genen werd aangetast. "We probeerden te kijken of sommige herschikkingen van het genoom in de kleine schaats deze blokken daadwerkelijk breken," zei Ferdinand Marletaz, een genomicus aan University College London en co-eerste auteur van de studie.

De onderzoekers identificeerden genoomherschikkingen in de kleine vleet die niet aanwezig waren in andere gewervelde dieren. Vervolgens vernauwden ze hun focus tot de veranderingen die de integriteit van de TAD's het meest waarschijnlijk leken te beïnvloeden, op basis van de genoomsequenties.

De inspanning leidde hen tot een herschikking waarvan ze voorspelden dat deze de grens zou elimineren van een TAD die een ontwikkelingssysteem reguleert dat de planaire celpolariteit (PCP) -route wordt genoemd. Dat hadden ze niet verwacht: niets over de bekende functies van het PCP-pad suggereerde meteen dat het de vinontwikkeling zou reguleren. Meestal bepaalt het de vorm en oriëntatie van cellen in embryo's.

Een nieuwe genetische buurt

Om de potentiële impact van de TAD-verandering op de ontwikkeling van de vinnen te testen, Tetsuya Nakamura, een evolutionair ontwikkelingsbioloog aan de Rutgers University, stelde kleine skate-embryo's bloot aan een remmer van de PCP-route. De voorste (voorste) rand van hun vinnen was sterk veranderd en groeide niet uit om samen te komen met het hoofd zoals normaal. Het suggereerde dat de verstoring van de voorouderlijke TAD de kenmerkende vinnen van de schaats had voortgebracht door PCP-genen in een nieuw deel van het lichaam te activeren.

"Deze herschikking van de TAD verandert in feite de hele omgeving van het gen en brengt nieuwe versterkers in de buurt van het gen", zei Lupiáñez.

Introductie

Maar dat was niet de enige relevante genoomverandering die de onderzoekers vonden. Ze identificeerden ook een mutatie in een versterker die de expressie reguleert van sommige genen die belangrijk zijn voor de ontwikkeling Hox groep. Hox genen specificeren het algemene lichaamsplan bij alle bilateraal symmetrische dieren. Een subset van hen, de hoxa gencluster, komt meestal alleen tot uiting in de achterste (achterste) randen van de zich ontwikkelende vinnen en in ledematen, waar het de vorming van cijfers specificeert.

In de kleine schaats, de hoxa genen waren actief in zowel de achterste als de voorste delen van de vin. Het was alsof de groeizone langs de achterkant van de vin langs de voorkant was gedupliceerd, zodat het dier een nieuwe reeks structuren maakte aan de voorkant van de vin die symmetrisch was met structuren aan de achterkant, zei Debiais-Thibaud.

Nakamura toonde aan dat de gemuteerde versterker van de schaats dit nieuwe veroorzaakte hoxa expressie patroon. Hij combineerde de versterker van de schaats met een gen voor een fluorescerend eiwit en plaatste die genencombinatie vervolgens in zebravisembryo's. De borstvinnen van de vis groeiden abnormaal en er verscheen fluorescentie langs zowel de voor- als achterrand, wat aantoonde dat de versterker van de schaats dreef hoxa expressie in beide delen van de vin. Toen Nakamura het experiment herhaalde met een versterker van een haai, bleef de vingroei onaangetast en bleef de fluorescentie beperkt tot de achterkant.

"Dus nu denken we dat de genetische mutaties specifiek in de skate-versterker zijn opgetreden, en dat kan uniek zijn Hox genexpressie in schaatsvinnen, 'zei Nakamura.

Gevormd voor nieuwe manieren van leven

In het beeld van de schaatsevolutie dat de onderzoekers hebben gereconstrueerd, op een bepaald moment nadat de schaatsafstamming afweek van haaien, kregen ze een mutatie in een versterker die hun hoxa genen actief in zowel de voorkant als de achterkant van hun borstvinnen. En in de nieuwe weefsels die langs de voorkant van de vin groeiden, zorgden herschikkingen van het genoom ervoor dat de PCP-route werd geactiveerd door versterkers in een andere TAD, wat verder tot gevolg had dat de vin zich naar voren uitstrekte en fuseerde met de kop van het dier.

"Door de vleugelachtige structuur te vormen, kunnen [de schaatsen] nu een heel andere ecologische niche bewonen, de bodem van de oceaan", legt Amemiya uit.

Pijlstaartroggen, manta's en andere roggen zijn nauw verwant aan vleten (ze worden allemaal geclassificeerd als "batoïde" vissen), en hun vergelijkbare pannenkoekvorm is waarschijnlijk te wijten aan dezelfde genoomherschikkingen. De roggen hebben echter ook hun vleugelachtige vinnen zodanig aangepast dat ze in principe door het water kunnen vliegen. "De schaatsen hebben deze golvingen van de vin en blijven op de bodem, maar mantaroggen kunnen naar de oppervlakte komen en een heel andere manier van voortbewegen hebben," zei Amemiya.

Hoewel evolutionaire ontwikkelingsbiologen eerder hebben gespeculeerd dat deze veranderingen in de 3D-architectuur van een genoom mogelijk zouden kunnen zijn, is dit waarschijnlijk een van de eerste artikelen die ze duidelijk in verband brengt met vrij grote veranderingen in lichaamsvorm, zei Marlétaz.

Lupiáñez gelooft ook dat de bevindingen een betekenis hebben die veel verder reikt dan een begrip van schaatsen. "Dit is een compleet nieuwe manier om over evolutie na te denken", zei hij. Structurele herschikkingen "kunnen ervoor zorgen dat een gen wordt geactiveerd op een plaats waar het niet zou moeten zijn." Hij voegde eraan toe: "Dit kan een ziektemechanisme zijn, maar het kan ook dienen als aanjager van evolutie."

spot_img

Laatste intelligentie

spot_img