Paten adı verilen deniz yaratıkları, kendilerini itmek ve kumda saklanan küçük yaratıkları kıpırdatmak için kanat benzeri pektoral yüzgeçlerini dalgalandırarak deniz dibinde süzülürler. Olağandışı yassı vücut planları onları denizdeki en tuhaf balık ailelerinden biri yapıyor ve yaklaşık 285 milyon yıl önce yüzen, aerodinamik, köpekbalığı benzeri etoburlardan evrimleşmiş olmaları daha da tuhaf görünüyor. 

Şimdi araştırmacılar, patenlerin kendine özgü profilini nasıl geliştirdiğini keşfettiler: Patenlerin DNA dizisindeki yeniden düzenlemeler, genomunun 3B yapısını değiştirdi ve temel gelişimsel genler ile onları yöneten düzenleyici diziler arasındaki eski bağlantıları bozdu. Bu değişiklikler, hayvanın vücut planını yeniden çizdi. Bilim adamları bulgularını bildirdi in Tabiat Nisan ayında.

Keşif, patenlerin evrimsel dönüşümünün gizemini, gelişimi yönlendiren genetik mekanizmalara bağlayarak çözüyor. "Fosil kayıtları size bu değişikliğin meydana geldiğini söylüyor ama gerçekte nasıl oldu?" söz konusu Chris Amemiya, Merced, California Üniversitesi'nde yeni çalışmaya dahil olmayan bir moleküler genetikçi. "Bu klasik bir evo-devo sorusu."

Birkaç yıl önce evrimsel genom bilimcisi, patenlerin yeni vücut şeklinin kökenlerini ortaya çıkarmak için José Luis Gómez-Skarmeta genom bilimi araştırmacıları ve evrimsel gelişim biyologlarından oluşan çeşitli bir uluslararası ekip oluşturdu. Kısmen bir ekibe ihtiyaç vardı çünkü ilk adım bir patenin genomunu dizip birleştirmek olacaktı ve patenler ve köpekbalıkları gibi kıkırdaklı balıkların genomlarını derlemek son derece zor.

"Bir araya getirmek gerçekten zor, çünkü çok büyükler - genellikle insan genomundan daha büyükler" dedi. Mélanie Debiais-Thibaud, Fransa'daki Montpellier Üniversitesi'nde çalışmaya dahil olmayan bir evrimsel gelişimsel genetikçi.

Ekip çalışmaları için küçük pateni seçti (Leucoraja erinacea), Kuzey Amerika'nın Atlantik kıyılarında kolayca toplanır. Proje kapsamında hayvanlar üzerinde gelişimsel ve işlevsel deneyler yapılmasına olanak sağlayan laboratuvar ortamında da yetiştirilebilmektedir. 

Araştırmacılar, küçük patenin genomunu diğer omurgalıların genomlarıyla karşılaştırarak, paten genomunun genellikle sekans düzeyinde omurgalı atalarınınkine çok benzer kaldığını belirlediler. Bununla birlikte, genomun 3 boyutlu yapısını etkileyebilecek birkaç dikkate değer yeniden düzenleme vardı. Bireylerin DNA'sında bu tür yeniden düzenlemeler, gen düzenlemesini bozarak hastalıklara neden olabilir. Keşif, araştırmacıları patenlerdeki yeniden düzenlemelerin vücut planları için orijinal genetik talimatları benzer şekilde bozup bozmadığını merak etmeye yöneltti. 

Sınırları Aşmak

Bir kromozomun DNA dizisine bakarsanız, içindeki genler, bu genlerin aktivitesini düzenleyen kısa "arttırıcı" dizilerden şaşırtıcı bir şekilde uzak görünebilir. Bununla birlikte, pratikte, bir hücre çekirdeğindeki DNA'nın nasıl kıvrıldığı, katlandığı ve kendi üzerine döndüğü nedeniyle, genellikle birbirinden hiç de uzak değildirler.

Omurgalılarda, işlevsel olarak ilişkili gen grupları ve bunların güçlendiricileri, topolojik olarak birleştirici alanlar veya TAD'ler adı verilen birimlerde fiziksel olarak üç boyutta gruplandırılmıştır. Sınır bölgeleri, güçlendiricilerin yalnızca aynı TAD'deki genler üzerinde hareket etmesini sağlamaya yardımcı olur.

Bununla birlikte, ekibin kaykaycının DNA'sında gördüğü gibi, büyük genom yeniden düzenlemeleri meydana geldiğinde sınırlar kaybolabilir ve genlerin kromozomlar üzerindeki göreli konumları değişebilir. Sonuç olarak, "bazı güçlendiriciler yanlış gene talimat verebilir" diye açıkladı. Dario LupiáñezBerlin'deki Max Delbrück Merkezi'nde evrimsel bir biyolog ve çalışmanın kıdemli yazarlarından biri.

Paten genomunun 3B mimarisindeki değişikliklerin, patenlerin köpekbalığı benzeri atalarından miras aldıkları eski gen bloklarını bozarak genlerin işlevini etkilemesi mümkün görünüyordu. "Küçük patendeki bazı genom yeniden düzenlemelerinin gerçekten bu blokları kırıp kırmadığına bakmaya çalışıyorduk" dedi. Ferdinand MarletazUniversity College London'da bir genom bilimcisi ve çalışmanın ortak yazarlarından biri olan Dr.

Araştırmacılar, küçük patende başka hiçbir omurgalıda olmayan genom yeniden düzenlemelerini belirlediler. Ardından, genom dizilerine dayalı olarak TAD'lerin bütünlüğünü etkileme olasılığı en yüksek görünen değişikliklere odaklandılar.

Çaba onları, düzlemsel hücre polaritesi (PCP) yolu adı verilen gelişimsel bir sistemi düzenleyen bir TAD'nin sınırını ortadan kaldıracağını tahmin ettikleri bir yeniden düzenlemeye götürdü. Bunu beklemiyorlardı: PCP yolunun bilinen işlevleriyle ilgili hiçbir şey, yüzgeç gelişimini düzenleyeceğine hemen işaret etmedi. Çoğunlukla, embriyolardaki hücrelerin şeklini ve yönünü belirler.

Yeni Bir Genetik Mahalle

TAD değişikliğinin kanat gelişimi üzerindeki potansiyel etkisini test etmek için, Tetsuya NakamuraRutgers Üniversitesi'nde evrimsel bir gelişim biyoloğu olan Dr., küçük kaykay embriyolarını PCP yolunun bir inhibitörüne maruz bıraktı. Yüzgeçlerinin ön (ön) kenarı büyük ölçüde değişmişti ve normalde olduğu gibi kafayla birleşecek şekilde büyümemişti. Atadan kalma TAD'nin bozulmasının, vücudun yeni bir bölümünde PCP genlerini aktive ederek patenin kendine özgü yüzgeçlerini ürettiğini öne sürdü.

Lupiáñez, "TAD'nin bu yeniden düzenlenmesi, temel olarak genin tüm ortamını değiştirir ve genin yakınına yeni güçlendiriciler getirir" dedi.

Ancak araştırmacıların bulduğu ilgili tek genom değişikliği bu değildi. Ayrıca, gelişimsel olarak önemli olan bazı genlerin ekspresyonunu düzenleyen bir güçlendiricide bir mutasyon tanımladılar. hox grup. hox genler, çift taraflı simetrik tüm hayvanlarda genel vücut planını belirler. Bunların bir alt kümesi, hoca gen kümesi, genellikle sadece gelişmekte olan yüzgeçlerin arka (arka) kenarlarında ve parmakların oluşumunu belirlediği uzuvlarda ifade edilir.

Küçük patende, hoca genler, yüzgecin hem arka hem de ön kısımlarında aktifti. Debiais-Thibaud, sanki yüzgecin arkası boyunca uzanan büyüme bölgesi ön kısım boyunca kopyalanmış gibiydi, böylece hayvan yüzgecin ön tarafında arka kısımdaki yapılarla simetrik olan yeni bir dizi yapı yaptı.

Nakamura, patenin mutasyona uğramış güçlendiricisinin bu yeni duruma neden olduğunu gösterdi. hoca ifade kalıbı. Patenin güçlendiricisini bir flüoresan protein geniyle birleştirdi ve ardından bu gen kombinasyonunu zebra balığı embriyolarına yerleştirdi. Balığın pektoral yüzgeçleri anormal bir şekilde büyüdü ve hem ön hem de arka kenarlarında flüoresans belirdi, bu da patenin güçlendiricisinin hareket ettiğini gösterdi. hoca Yüzgecin her iki kısmında ifade. Nakamura, deneyi bir köpekbalığından alınan bir güçlendirici ile tekrarladığında, yüzgeç büyümesi etkilenmedi ve floresans arka tarafla sınırlı kaldı.

"Yani şimdi, genetik mutasyonların özellikle paten arttırıcıda meydana geldiğini ve bunun benzersiz sürüş sağlayabileceğini düşünüyoruz. hox paten yüzgeçlerinde gen ifadesi," dedi Nakamura.

Yeni Yaşam Biçimleri İçin Şekillendi

Araştırmacıların yeniden oluşturdukları paten evrimi resminde, kaykay soyu köpekbalıklarından ayrıldıktan bir süre sonra, bir güçlendiricide bir mutasyon elde ettiler. hoca göğüs yüzgeçlerinin hem önünde hem de arkasında aktif olan genler. Ve yüzgecin ön tarafı boyunca büyüyen yeni dokularda, genom yeniden düzenlemeleri, PCP yolunun farklı bir TAD'deki güçlendiriciler tarafından etkinleştirilmesine neden oldu;

Amemiya, "Kanat benzeri yapıyı oluşturarak, [paten] artık okyanusun dibinde tamamen farklı bir ekolojik nişte yaşayabiliyor" dedi.

Vatozlar, mantalar ve diğer vatozlar patenlerle yakından ilişkilidir (hepsi "batoid" balıklar olarak sınıflandırılır) ve benzer şekilde yassı şekilleri muhtemelen aynı genom yeniden düzenlemelerinden kaynaklanmaktadır. Bununla birlikte, ışınlar, kanat benzeri yüzgeçlerini, temelde suda uçmalarına izin verecek şekilde değiştirmiştir. Amemiya, "Patenlerde bu dalgalanmalar var ve dipte kalıyorlar, ancak manta vatozları yüzeye çıkıp tamamen farklı bir hareket tarzına sahip olabilir" dedi.

Marlétaz, evrimsel gelişim biyologlarının daha önce bir genomun 3B mimarisindeki bu değişikliklerin mümkün olabileceğine dair spekülasyon yapmasına rağmen, bu muhtemelen bunları vücut şeklindeki oldukça büyük değişikliklerle açıkça ilişkilendiren ilk makalelerden biridir, dedi Marlétaz.

Lupiáñez, bulguların paten anlayışının çok ötesine geçen bir öneme sahip olduğuna da inanıyor. "Bu, evrim hakkında düşünmenin tamamen yeni bir yolu" dedi. Yapısal yeniden düzenlemeler "bir genin olmaması gereken bir yerde aktive olmasına neden olabilir." "Bu bir hastalık mekanizması olabilir, ancak aynı zamanda evrimin itici gücü olarak da hizmet edebilir."