Ιπτάμενα ψάρια και κατοικίδια ενυδρείου αποδίδουν τα μυστικά της εξέλιξης
Για να ξεφύγει από τα αρπακτικά κάτω από τα κύματα, ένα ιπτάμενο ψάρι μπορεί να εκτοξευτεί από το νερό και να γλιστρήσει σε μεγάλες αποστάσεις, επειδή τα ζευγαρωμένα θωρακικά και πυελικά πτερύγια του, μακρύτερα και πιο άκαμπτα από αυτά άλλων ψαριών, λειτουργούν ως αεροτομές. Σε έναν ιδιόρρυθμο θρίαμβο της εξέλιξης, πλάσματα που κάποτε ήταν αυστηρά υδρόβια μεταμορφώθηκαν σε προσωρινά αερομεταφερόμενα μέσω μερικών τροποποιήσεων στο σχήμα του σώματος.
Πρόσφατα, μια ομάδα ερευνητών με επικεφαλής τον Matthew Harris της Ιατρικής Σχολής του Χάρβαρντ και του Παιδιατρικού Νοσοκομείου της Βοστώνης ανέφερε τη γενετική βάση για την εξέλιξη αυτών των ασυνήθιστων πτερυγίων:Μέσω ενός καινοτόμου συνδυασμού τεχνικών, ανακάλυψαν ότι οι αλλαγές σε δύο μόνο γονίδια ήταν επαρκείς για τη δημιουργία χαρακτηριστικό σχήμα σώματος των ιπτάμενων ψαριών. Όταν αυτές οι μεταλλάξεις εμφανίστηκαν σε ένα είδος κοινού ψαριού ενυδρείου, οι αναλογίες του άρχισαν να αλλάζουν με παρόμοιους τρόπους.
«Όταν ξεκινήσαμε το evo-devo, δεν σκεφτόμασταν ότι θα μπορούσαμε να κάνουμε αυτά τα μεγάλα άλματα στη φόρμα με τόσο απλούς κανόνες», είπε ο Χάρις. Η μελέτη εμφανίστηκε στο τεύχος 22 Νοεμβρίου του Current Biology .
Τα ευρήματα είναι αξιοσημείωτα εν μέρει επειδή υπονοούν ότι τα βιοηλεκτρικά σήματα εντός των αναπτυσσόμενων ιστών, όχι μόνο των «μορφογενετικών» χημικών, μπορούν να ρυθμίσουν την ανάπτυξη και το σχήμα των αναπτυσσόμενων πτερυγίων και πιθανώς άλλων δομών. Αυτή η μελέτη και η προηγούμενη εργασία δείχνουν επίσης ξεκάθαρα πώς μικρές γενετικές αλλαγές μπορούν μερικές φορές να προκαλέσουν μεγάλες μορφολογικές αλλαγές που έχουν σημαντικές εξελικτικές συνέπειες.
Μεγάλο μέρος της ανεξιχνίαστης ποικιλομορφίας των ζωικών μορφών στη φύση προέρχεται από τη σύγκρουση της φυσικής επιλογής με τα γενετικά προγράμματα που ελέγχουν την ανάπτυξη. Οι τροποποιήσεις στο χρονοδιάγραμμα και την ταχύτητα της ανάπτυξης των ιστών μπορούν να τεντώσουν ή να συρρικνώσουν τις δομές, ή ακόμα και να εισάγουν και να διαγράψουν οστά, για να δημιουργήσουν νέες προσαρμογές που ανοίγουν νέες θέσεις για τα είδη. Η Evo-devo, η βιολογική μελέτη αυτής της διαδικασίας, έχει μακρά ιστορία, αλλά μόνο σχετικά πρόσφατα οι ερευνητές μπόρεσαν να ξεκινήσουν την έρευνα για τα γονίδια που είναι υπεύθυνα για συγκεκριμένες αλλαγές.
Για να αναζητήσουν τη γενετική βάση του σχήματος του σώματος των ιπτάμενων ψαριών, οι ερευνητές στο εργαστήριο Harris ξεκίνησαν την αλληλούχιση και τη σύγκριση των γονιδιωμάτων 35 ειδών ιπτάμενων ψαριών και των στενών συγγενών τους. Αναζητώντας περιοχές του DNA που είχαν αλλάξει ασυνήθιστα γρήγορα μεταξύ των ειδών, εντόπισαν γονίδια που φαινόταν να έχουν εξελιχθεί υπό την πίεση επιλογής.
Αυτή η συγκριτική ανάλυση επέτρεψε στους ερευνητές να αναζητήσουν τους κύριους παράγοντες που οδηγούν στο σχηματισμό του νέου σωματότυπου, εξήγησε ο Joost Woltering, εξελικτικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Konstanz στη Γερμανία που εργάζεται για την εξέλιξη και την ανάπτυξη της ποικιλομορφίας των πτερυγίων και των άκρων. «Αλλά πώς θα μάθετε αν το γονίδιο είναι πραγματικά το όπλο καπνίσματος που κάνει τη διαφορά; Δεν μπορείτε να το τροποποιήσετε στα ιπτάμενα ψάρια», είπε. "Πρέπει να στραφείτε σε κάτι όπου μπορείτε πραγματικά να το κάνετε αυτό."
Η ομάδα του Χάρις λοιπόν στράφηκε στα ψάρια ζέβρα (Danio rerio ), τα minnow του γλυκού νερού που διατηρούνται ευρέως ως κατοικίδια στο ενυδρείο αλλά και ως ζώα έρευνας. Η ομάδα του χρησιμοποίησε χημικές ουσίες και ακτίνες γάμμα για να δημιουργήσει τυχαίες μεταλλάξεις σε περισσότερα από 10.000 έμβρυα ψαριών ζέβρας. Έψαξαν εκείνα που επέζησαν μέχρι την ενηλικίωση για ενδιαφέροντα ενήλικα χαρακτηριστικά ή φαινότυπους. Αυτή η προσέγγιση ήταν ασυνήθιστη επειδή οι γενετικές μελέτες των ψαριών ζέβρας συνήθως επικεντρώνονται στην εμβρυϊκή ανάπτυξη των ζώων.
Ο Jacob Daane, μεταδιδακτορικός στο εργαστήριο Harris εκείνη την εποχή, και οι συνάδελφοί του εξέτασαν επίσης μια συλλογή γνωστών μεταλλαγμένων ψαριών ζέβρας με μακριά πτερύγια για να βελτιώσουν την αναζήτησή τους για παραλλαγές γονιδίων που θα μπορούσαν να ρυθμίζουν την ανάπτυξη των πτερυγίων των ιπτάμενων ψαριών. Συμμετείχαν σε δύο:kcnh2a , μια μετάλλαξη που κάνει τα κύτταρα να υπερεκφράζουν κανάλια καλίου στην εξωτερική τους μεμβράνη και lat4a , μια μετάλλαξη απώλειας λειτουργίας που απενεργοποιεί την ικανότητα των κυττάρων να μεταφέρουν το αμινοξύ λευκίνη.
Οι ερευνητές έδειξαν ότι στα ψάρια ζέβρα, οι μεταλλάξεις απώλειας λειτουργίας στον μεταφορέα λευκίνης προκαλούν όλα τα πτερύγια να είναι κοντά, ενώ η μετάλλαξη υπερέκφρασης των καναλιών καλίου κάνει όλα τα πτερύγια να είναι μακριά. Οποιαδήποτε από αυτές τις μεταλλάξεις από μόνη της παράγει ένα αδέξιο ψάρι. Αλλά όταν συνδυάζονται οι δύο μεταλλάξεις, το προκύπτον ψάρι ζέβρα έχει μακρά ζευγαρωμένα θωρακικά πτερύγια και μικρότερα μεσαία πτερύγια, ακριβώς τη μορφή του ιπτάμενου ψαριού.
«Μια μόνο σημειακή μετάλλαξη σε ορισμένες περιπτώσεις μπορεί να σας δώσει πραγματικά, πολύ μεγάλα πτερύγια», είπε ο Daane, ο οποίος πρόσφατα ξεκίνησε το δικό του εργαστήριο στο Πανεπιστήμιο του Χιούστον. "Δεν γνωρίζω πολλά άλλα συστήματα όπου υπάρχει αυτό το επίπεδο απλότητας όσον αφορά τις σημαντικές αλλαγές κλίμακας στο μέγεθος ενός οργάνου όπως αυτό."
Το σχέδιο σώματος του ιπτάμενου ψαριού εξελίχθηκε ανεξάρτητα αρκετές φορές σε διάφορες γενεαλογίες και βασιζόταν πάντα στους ίδιους τύπους μεταλλάξεων στον μεταφορέα λευκίνης και στο κανάλι καλίου. Οι μεταλλάξεις μεταφορέα λευκίνης στις διαφορετικές σειρές δεν είναι πανομοιότυπες, αλλά προκαλούν την ίδια αλλαγή αμινοξέων - μια ένδειξη ότι οι σειρές χτυπούν ανεξάρτητα στο ίδιο γενετικό τέχνασμα για να εξελίξουν αυτό το σχήμα. "Η φύση έχει στοχεύσει το ίδιο συγκεκριμένο γονίδιο σε μερικά διαφορετικά πλαίσια", δήλωσε η Sarah McMenamin, μια εξελικτική βιολόγος ανάπτυξης ψαριών στο Κολέγιο της Βοστώνης.
Το πώς η μετάλλαξη του καναλιού καλίου προκαλεί την επιπλέον ανάπτυξη στο πτερύγιο παραμένει ένα μυστήριο. «Δεν είναι σαν μια αλληλεπίδραση υποδοχέα-συνδέτη όπου τα πράγματα συνδέονται με τον υποδοχέα στο εσωτερικό του κυττάρου και ταξιδεύουν προς τα κάτω και προκαλούν τη μεταγραφή κάτι», είπε ο Χάρις. Μάλλον, η υπερέκφραση του καναλιού καλίου αλλάζει το δυναμικό ηρεμίας της μεμβράνης και το pH του κυτταροπλάσματος, γεγονός που καθιστά το κύτταρο πιο ενεργό και πιο ευαίσθητο. Ως αποτέλεσμα, τα κύτταρα των πτερυγίων αρχίζουν να εμφανίζουν χαρακτηριστικά σηματοδότησης που συνήθως σχετίζονται με νευρώνες και βλαστοκύτταρα. Είναι πιθανό οι αλλαγές στη σηματοδότηση των κυττάρων να αλλάξουν τον τρόπο με τον οποίο μεγαλώνει το πτερύγιο, είπε ο Χάρις, αλλά αυτό εξακολουθεί να είναι εικαστικό. "Όλο αυτό είναι νέο, γόνιμο έδαφος και οι άνθρωποι δεν καταλαβαίνουν πραγματικά πολλά για αυτό", είπε.
Όταν οι ερευνητές εμπόδισαν τα ιόντα καλίου να περάσουν μεταξύ των κυττάρων των πτερυγίων - στην πραγματικότητα, αναιρώντας τη μετάλλαξη του καναλιού καλίου - διαπίστωσαν ότι εμπόδιζε την ανάπτυξη των πτερυγίων. Υποθέτουν ότι κατά τη διάρκεια ορισμένων σταδίων ανάπτυξης, τα κύτταρα του πτερυγίου λειτουργούν σαν ένα συγκύτιο, μια ενιαία κυτταροπλασματική μάζα με πολλούς πυρήνες να επιπλέουν μέσα της. Αν ναι, τα ιόντα καλίου θα μπορούσαν να δημιουργήσουν ένα ηλεκτρικό πεδίο που εκτείνεται σε ολόκληρο το πτερύγιο, δημιουργώντας «περισσότερες δυνατότητες για συντονισμό σημάτων μεγάλης εμβέλειας από το τυπικό μορφογόνο ή εκκρινόμενο παράγοντα», είπε ο Χάρις. (Άλλοι ερευνητές έχουν επίσης δει στοιχεία ότι τα ηλεκτρικά πεδία μπορεί να παίζουν υποτιμημένο ρόλο στην καθοδήγηση της μορφής των αναπτυσσόμενων ιστών.)
Η νέα εργασία βασίζεται σε μια προηγούμενη συναρπαστική ανακάλυψη σχετικά με την εξέλιξη των εξαρτημάτων που προήλθε από το εργαστήριο Harris τον Φεβρουάριο του 2021. Μια μελέτη από τους Brent Hawkins, Katrin Henke και Harris στο Cell έδειξε ότι μια μόνο μετάλλαξη μπορεί να αφυπνίσει μια λανθάνουσα δυνατότητα σχηματισμού άκρων στα πτερύγια ψαριών ζέβρας, παρόλο που οι πρόγονοι των ψαριών ζέβρας απέκλιναν περίπου 450 εκατομμύρια χρόνια πριν από τις γενεαλογίες που αργότερα δημιούργησαν τα τετράποδα. Δύο μελέτες από άλλα εργαστήρια που δημοσιεύτηκαν στο διαδίκτυο με αυτήν στο Cell εξέτασε το γονιδίωμα των πρώιμων διακλαδιζόμενων ψαριών με ακτινοβόλο και του αφρικανικού πνευμονόψαρου και πρότεινε ότι υπήρχε η ικανότητα να χτίζει άκρα στον κοινό πρόγονο όλων των οστέινων ψαριών.
Το θωρακικό πτερύγιο ενός ψαριού ζέβρας συνδέεται κανονικά με το σώμα με ένα μόνο στρώμα οστέινων στοιχείων, τα εγγύς ακτινικά, τα οποία αρθρώνονται απευθείας με τον «ώμο» του ψαριού. Αλλά στο μεταλλαγμένο ψάρι ζέβρα που η ομάδα του Χάρις ανακάλυψε στη γενετική τους οθόνη, δύο νέα «ενδιάμεσα ακτινικά» οστά σχημάτισαν μια άρθρωση με τα εγγύς ακτινίδια. Οι ερευνητές βρήκαν ακόμη και μύες συνδεδεμένους στα νέα οστά.
«Έτσι, με μία μόνο μετάλλαξη, δεν φτιάχνουμε μόνο αυτό το νέο κομμάτι οστέινου ιστού, αλλά φτιάχνουμε μια ολοκαίνουργια δομή που είναι καλά ενσωματωμένη, καλά διαμορφωμένη», είπε ο Χόκινς. Αυτό το είδος αναδρομής ή αταβισμός, που φτάνει πίσω σε εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια εξέλιξης, αποκαλύπτει πόσο αρχαία και κοινή είναι η γενετική «γραμματική» για την κατασκευή πτερυγίων και άκρων.
«Αυτό που έδειξε το εργαστήριο Χάρις με αυτήν την εργασία είναι πραγματικά ότι το γενετικό δυναμικό για να γίνουν αυτές οι επεξεργασίες στον ενδοσκελετό εξακολουθεί να διατηρείται στα σύγχρονα ψάρια με πτερύγια ακτίνων και έχουν την αναπτυξιακή δυνατότητα να χτίσουν πιο περίπλοκες δομές», είπε ο ΜακΜέναμιν. /P>
Νέες μελέτες συνεχίζουν να προέρχονται από άλλα εργαστήρια, ενισχύοντας περαιτέρω το σημείο ότι τα πτερύγια και τα άκρα αναπτύσσονται κάτω από τη γενετική επίδραση άκρως συντηρημένων μηχανισμών. Τον Νοέμβριο, μια εργασία στο Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών εντόπισε ένα γονίδιο που ρυθμίζει τόσο τον σχηματισμό των δακτύλων στα άκρα των τετραπόδων όσο και τη δομή των εξωτερικών άκρων των πτερυγίων. Τον ίδιο μήνα, μια μελέτη στην Τρέχουσα Βιολογία αποκάλυψε ότι τα επιμήκη πίσω πόδια των jerboas - μικροσκοπικά δίποδα τρωκτικά που μπορούν να χοροπηδούν, να πηδούν και να τρέχουν με εξαιρετικές ταχύτητες - προκύπτουν από ένα γονίδιο που προκαλεί δυσανάλογη ανάπτυξη οστών στα άκρα τους, όχι σε αντίθεση με την αλλομετρική ανάπτυξη που παρατηρείται στα πτερύγια των ιπτάμενων ψαριών. /P>
Για τον Marcus Davis, έναν εξελικτικό βιολόγο στο Πανεπιστήμιο James Madison, η συσσώρευση στοιχείων ότι τα άκρα και τα πτερύγια έχουν μια κοινή αναπτυξιακή γενετική βάση «οδηγεί πραγματικά στο πιο ενδιαφέρον ερώτημα, από πού προήλθε το αρχικό αναπτυξιακό πρόγραμμα;» Το αναπτυξιακό πρόγραμμα για τα πτερύγια και τα άκρα πιθανότατα τροποποιήθηκε από ένα ακόμη πιο αρχαίο αναπτυξιακό πρόγραμμα για άλλα μέρη του σώματος. «Έπρεπε να έρθει από κάπου και δεν χτίστηκε απλά από τη μια μέρα στην άλλη», είπε. "Λοιπόν, ποιο άλλο μέρος της οικοδόμησης του σώματος τροποποιήθηκε με την πάροδο του χρόνου για να κατασκευαστεί αυτό το πρόγραμμα εξαρτημάτων;"
Ο Tetsuya Nakamura, αναπτυξιακός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο Rutgers που μελετά τη μετάβαση ψαριού-τετραπόδων, υποψιάζεται ότι το γενετικό πρόγραμμα για την κατασκευή ζευγαρωμένων πτερυγίων και άκρων προέρχεται από την ανάπτυξη ραχιαίων και πρωκτικών πτερυγίων, τα οποία είναι ακόμα πιο αρχαία από τα ζευγαρωμένα πτερύγια. Τα Lampreys, η ομάδα των ψαριών χωρίς γνάθο που αναπτύχθηκε για πρώτη φορά πριν από περίπου μισό δισεκατομμύριο χρόνια, έχουν ραχιαία και πρωκτικά πτερύγια αλλά δεν έχουν ζευγαρωμένα πτερύγια.
Αλλά παρόλο που τα διαφορετικά εξαρτήματα και τα σχήματα του σώματος έχουν ρίζες στα ίδια αρχαία γενετικά δίκτυα, ο Woltering σημειώνει ότι οι αλλαγές μεταξύ αυτών των μορφών ήταν σημαντικές μεταβάσεις. «Το τετράποδο άκρο είναι μια εξελικτική καινοτομία — σίγουρα το πιστεύω αυτό», είπε. Συνεπώς, απομένουν πολλά να μάθουμε για το τι επέτρεψε την εξέλιξη αυτών των αλλαγών.
Η ασυνήθιστη προσέγγιση που χρησιμοποιήθηκε στο εργαστήριο Harris, την οποία ο Ντέιβις επαίνεσε ως «άτυπη και μοντέρνα» και ο ΜακΜέναμιν χαιρέτισε ως «δημιουργική» και «ένα περιοδεία», υποδεικνύει έναν τρόπο με τον οποίο οι ερευνητές του evo-devo θα μπορούσαν να βρουν απαντήσεις. Στο κυνήγι για γονίδια που ρυθμίζουν τα αναπτυξιακά προγράμματα, οι μελέτες εξετάζουν συχνά ορισμένους συνήθεις ύποπτους, όπως η σηματοδότηση ινσουλίνης για την αλλομετρία και το H βόδι γονίδια για μοτίβο άκρων και πτερυγίων. Αλλά η ομάδα του Χάρις ακολούθησε μια πιο αγνωστική προσέγγιση, χρησιμοποιώντας συγκριτική γονιδιωματική και γενετικές οθόνες μεγάλης κλίμακας για να αναγνωρίσει ψάρια με ενδιαφέροντες, σχετικούς φαινοτύπους. «Έπρεπε να είναι απολύτως πρόθυμοι να ακολουθήσουν πού τους οδήγησε αυτός ο φαινότυπος», είπε ο McMenamin.
"Όταν αρχίζουμε να κάνουμε τις σωστές ερωτήσεις στους οργανισμούς, βγαίνουν απροσδόκητα πράγματα - πράγματα που δεν θα περιμέναμε από την πραγματοποίηση κλασικών μελετών σε επίπεδο πληθυσμού", είπε ο Χάρις.
