5 Minuten
Naujas tyrimas sieja kloakos reguliacinę DNR su pirštų formavimu
Pastarųjų lyginamosios genominės analizės ir funkcinių eksperimentų rezultatai rodo, kad reguliacinė DNR, kontroliuojanti žmogaus pirštų ir kojų pirštų raidą, turi gilias evoliucines šaknis 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 prieš maždaug 380 milijonų metų ir vėliau buvo perimtas keturkojų pirštų atsiradimo metu.
Mokslinis kontekstas: Hoxd genai ir reguliacinės teritorijos
Hoxd genai priklauso Hox genų šeimai, vystymosi reguliatorių rinkiniui, nusakančiam kūno planą ir priedų tapatybę visoje gyvūnijoje. Keturkojams Hoxd genai padeda kontroliuoti pirštų skaičių ir morfologiją, tačiau iki šiol diskutuota, kaip protėvių žuvų pelekai tapo atskiromis pirštų struktūromis. Vietoj visiškai naujų genų atsiradimo, naujas tyrimas rodo, kad evoliucija pernaudojo jau egzistavusius reguliacinius elementus — enhancerius ir kitą nekodavimo DNR — kurie iš pradžių buvo aktyvūs kloakoje, daugelyje stuburinių tarnaujančioje išskyrimui ir reprodukcijai.
Pagrindiniai eksperimentai ir išvados
Lyginamoji pelių ir danio genomų analizė parodė, kad nors danio neturi kai kurių Hoxd genų, esančių keturkojams, jie išlaiko platesnį reguliacinį peizažą aplink likusias Hox lokusas. Norėdami nustatyti šių elementų aktyvumą ir funkciją, tyrėjai panaudojo fluorescencinį reporterį embrionuose: kai kandidatinės reguliacinės sekos buvo susietos su fluorescenciniais žymekliais, pelių embrionuose aktyvumas pasireiškė formuojamuose pirštuose, o danio embrionuose — kloakos regione.
Danio embrionas su Hox aktyvumu apšviesta kloakos sritimi.
Funkciniai bandymai naudojo CRISPR–Cas9 konservuoto reguliacinio regiono šalinimui. Pelėms, kur ši sritis buvo ištrinta, pirštai nesusiformavo tinkamai ir atsirado aiškūs galūnių raidos defektai. Danio atveju pašalinimas sutrikdė kloakos vystymąsi, nekeisdamas peleko formavimo. Šis modelis — reguliacinė aktyvacija terminalinėse struktūrose ir paraleliniai fenotipiniai efektai pašalinus regioną — palaiko hipotezę, kad reguliacinio peizažo ancestrinė paskirtis buvo susijusi su kloaka ir vėliau buvo perkeliama distalinių galūnių struktūrų modeliavimui keturkojams.
Pasekmės evoliucinei vystymosi biologijai
Šie rezultatai iliustruoja įprastą evoliucinį mechanizmą — eksaptaciją — kai esami genetiniai moduliai pritaikomi naujoms funkcijoms. Kaip pažymėjo vystymosi genetikos specialistas Denis Duboule iš Ženevos universiteto, "Faktas, kad įsitraukė šie genai, yra ryškus pavyzdys, kaip evoliucija kuria naujoves, perdirbdama senus sprendimus." Genetikė Aurélie Hintermann pridūrė, kad kloaka ir pirštai turi konceptualią panašumą kaip terminalinės struktūros — vamzdžių ar galūnių galai — kas galėjo palengvinti reguliacinį pernaudojimą.
Be to, kad paaiškina ilgai diskutuotą klausimą apie pirštų kilmę, šis darbas pabrėžia, kaip nekoduojanti reguliacinė DNR gali skatinti didelius morfologinius perėjimus. Tai taip pat atveria naujas kryptis tyrimams apie įgimtas galūnių anomalijas: kai kurios vystymosi ligos gali kilti dėl mutacijų enhanceriuose, o ne pačiuose koduojančiuose genuose.
Metodai ir susijusios technologijos
Tyrime derintos lyginamoji genomika, enhancerių reporterio testai, fluorescencinė in vivo vaizdo fiksacija ir tikslingi CRISPR pašalinimai. Šios technikos yra kertinės moderniems evo-devo tyrimams: genomo palyginimai identifikuoja konservuotus nekodavimo elementus, reporteriniai konstrukcijos atskleidžia erdvės ir laiko aktyvumą, o genomo redagavimas leidžia tiesiogiai patikrinti funkciją besivystančiuose embrionuose. Tolesnės pažangos vienaląsčio transkriptomikos ir chromatino konformacijos fiksavimo srityse leis smulkiau žemėlapyti reguliacines sąveikas tiek žuvų, tiek keturkojų embrionuose.
Ekspertės įžvalga
Dr. Lena Morales, evoliucinės vystymosi biologė iš Salk instituto (fiktyvi), komentavo: "Šis darbas elegantiškai parodo, kad evoliucinė inovacija dažnai kyla iš reguliacinio persikoregavimo, o ne iš naujų baltymų išradimo. Funkciniai ištrynimo eksperimentai yra ypač įtikinami, nes parodo paralelias raidos pasekmes dviejuose labai skirtinguose stuburinių modeliuose. Ateities lyginamieji tyrimai tarp papildomų žuvų ir ankstyvųjų keturkojų linijų padės geriau nustatyti šių reguliacinių poslinkių laiką ir seką."
Tolesni tyrimai
Tolimesniuose darbuose tyrėjai ketina išbandyti reguliacinį aktyvumą platesniame rūšių ir vystymosi stadijų rinkinyje, kad tiksliau atkurtų evoliucinę trajektoriją. Integruojant paleontologinius duomenis, genų reguliavimo tinklų modelius ir funkcinį testavimą, bus galima nustatyti, kada ir kaip įvyko poslinkis nuo kloakos prie distalinių galūnių reguliavimo. Tokie daugiadisciplininiai požiūriai padės pagilinti supratimą apie tai, kaip sudėtingos struktūros, pavyzdžiui pirštai, išsivystė iš senovinių genetinių įrankių.
Išvada
Šis tyrimas pateikia įtikinamų įrodymų, kad DNR reguliacinis peizažas, dabar nukreiptas į pirštų formavimą, iš pradžių buvo aktyvus žuvų kloakose. Demonstruodami enhancerių aktyvumą ir būtinybę skirtingose rūšyse, tyrėjai pabrėžia reguliacinio pernaudojimo svarbą morfologinei inovacijai. Išvados pagilina mūsų supratimą apie galūnių evoliuciją ir pabrėžia nekoduojančios DNR funkcionalumą formuojant didelius evoliucinius pokyčius.
Quelle: sciencealert
Kommentar hinterlassen