5 Minutės
Naujas tyrimas sieja kloakos reguliacinę DNR su pirštų formavimu
Paskutiniai palyginamieji genomikos ir funkcionalūs eksperimentai rodo, kad reguliacinė DNR, kontroliuojanti žmonių rankų ir kojų pirštų vystymąsi, turi gilius evoliucinius ištakas struktūroje, randamoje žuvyse: kloakoje. JAV ir Šveicarijos tyrėjų komanda praneša, kad reguliacinis peizažas šalia Hoxd genų — DNR jungikliai, padedantys formuoti galūnes — iš pradžių veikė žuvų kloakaliniame regione maždaug prieš 380 milijonų metų ir vėliau buvo perimtas, kai atsirado tetrapodų pirštai.
Mokslinis fonas: Hoxd genai ir reguliacinės sritys
Hoxd genai priklauso Hox genų šeimai — vystymosi reguliatoriams, kurie nustato kūno planą ir priedų tapatybę gyvūnų pasaulyje. Tetrapodams Hoxd genai padeda kontroliuoti pirštų skaičių ir morfologiją, tačiau vis dar vyko diskusijos, kaip protėvių žuvų pelekų struktūros tapo atskiromis pirštų formomis. Vietoje visiškai naujų genų atsiradimo tyrimas siūlo, kad evoliucija pernaudojusi jau egzistuojančius reguliacinius elementus — enhancerius ir kitą nekoduojančią DNR — kurie iš pradžių buvo aktyvūs kloakoje, daugiafunkciame terminaliniame anga, skirtame šalinimui ir reprodukcijai daugelyje stuburinių.
Pagrindiniai eksperimentai ir išvados
Palyginamoji pelės ir zebrafish genomų analizė parodė, kad nors zebrafish trūksta kai kurių tetrapodams būdingų Hoxd genų, jos išlaikė platesnį reguliacinį peizažą aplink likusias Hox lokusas. Norėdami nustatyti šių elementų aktyvumą ir funkciją, mokslininkai naudojo fluorescencinius reporterio žymenis embrionuose: kai kandidatinės reguliacinės sekos buvo sujungtos su fluorescenciniais žymekliais, pelės embrionuose buvo aktyvuojamos vystančiuose pirštuose, o zebrafish — kloakaliniame regione.
Zebrafish embrionas, kuriame kloakalinis regionas šviečia Hox aktyvumu.
Funkciniai bandymai naudojo CRISPR–Cas9, kad pašalintų konservuotą reguliacinę sritį. Pelėms, kuriose ši sritis buvo ištrinta, pirštai nesusiformavo tinkamai, sukeldami aiškius galūnių vystymosi defektus. Zebrafish pašalinimas sutrikdė kloakalinį vystymąsi, nepakitusi pelekų sandara. Šis modelis — reguliacinė veikla terminalinėse struktūrose ir paraleliniai fenotipiniai pokyčiai ją pašalinus — palaiko hipotezę, kad reguliacinio peizažo pradinė funkcija buvo susijusi su kloaka ir vėliau buvo perkeliama tam, kad formuotų distališkas galūnių struktūras tetrapoduose.
Reikšmė evoliucinės vystymosi biologijai
Šie rezultatai iliustruoja dažną evoliucinį mechanizmą: eksaptaciją, kai esami genetiniai moduliai pernaudojami naujoms funkcijoms. Kaip pastebėjo vystymosi genetikos specialistas Denis Duboule iš Ženevos universiteto, "Faktas, kad šie genai dalyvauja, yra ryškus pavyzdys, kaip evoliucija kuria naujoves, pernaudodama seną tam, kad sukurtų naują." Genetikė Aurélie Hintermann pridūrė, kad kloaka ir pirštai dalijasi konceptualiu panašumu kaip terminalinės struktūros — vamzdelių arba galūnių galai — kas galėjo palengvinti reguliacinę pernaudojimą.
Be to, kad išaiškina ilgai kėlusią diskusiją apie pirštų kilmę, darbas pabrėžia, kaip nekoduojanti reguliacinė DNR gali skatinti didelius morfologinius pokyčius. Tai taip pat siūlo naujas kryptis tyrinėti įgimtas galūnių anomalijas: mutacijos enhanceriuose, o ne pačioje koduojančioje geno sekoje, gali būti kai kurių vystymosi sutrikimų priežastimi.
Metodai ir susijusios technologijos
Tyrimas sujungė palyginamąją genomiką, enhancerio-reporto bandymus, fluorescencinį in vivo vaizdavimą ir nukreiptus CRISPR trynimus. Šios technikos yra pagrindas šiuolaikiniams evo-devo tyrimams: geno palyginimai identifikuoja konservuotus nekoduojančius elementus, reporterio konstrukcijos atskleidžia erdvinį ir laikinį aktyvumą, o genomo redagavimas tiesiogiai tikrina funkciją vystančiuose embrionuose. Tolimesni pažangai vienaląsčio transkriptomikos ir chromatino konformacijos fiksavimo srityse leis tiksliau žemėlapyti reguliacinius tarpusavio ryšius tiek žuvų, tiek tetrapodų embrionuose.
Ekspertų komentaras
Dr. Lena Morales, evoliucijos ir vystymosi biologė iš Salk instituto (fiktyvi), komentavo: "Šis darbas elegantiškai parodo, kad evoliucinė inovacija dažnai kyla iš reguliacinio persidėliojimo, o ne naujų baltymų išradimo. Funkciniai ištrynimo eksperimentai yra ypač įtikinami, nes jie rodo paralelias vystymosi pasekmes dviejuose labai skirtinguose stuburinių modeliuose. Ateities palyginamieji tyrimai tarp papildomų žuvų ir ankstyvųjų tetrapodų linijų bus vertingi, siekiant atsekti šių reguliacinių pasikeitimų tvarką ir laiką."
Ateities kryptys
Tyrėjai toliau stebės reguliacinį aktyvumą platesniame rūšių ir vystymosi stadijų rinkinyje, kad tiksliau atstatytų evoliucinę trajektoriją. Paleontologinių duomenų, genų reguliavimo tinklų modelių ir funkcinių bandymų integracija padės nustatyti, kada ir kaip įvyko perėjimas nuo kloakos reguliavimo prie distalinio galūnių reguliavimo. Tokie daugdisciplininiai požiūriai patikslins mūsų supratimą apie tai, kaip sudėtingos struktūros, tokios kaip pirštai, išsivystė iš senovinio genetinio instrumentaro.
Išvados
Šis tyrimas pateikia įtikinamus įrodymus, kad reguliacinis DNR peizažas, dabar nukreiptas į pirštų formavimą, iš pradžių buvo aktyvus žuvų kloakose. Demonstruodami enhancerio aktyvumą ir reikalingumą skirtingose rūšyse, tyrimas pabrėžia reguliacinės pernaudojimo svarbą morfologinėms inovacijoms. Radiniai pagilina mūsų supratimą apie galūnių evoliuciją ir pabrėžia nekoduojančios DNR funkcinius vaidmenis formuojant didelius evoliucinius pokyčius.
Šaltinis: sciencealert
Komentarai