Τα μυστικά της πρώιμης εξέλιξης των ζώων αποκαλύφθηκαν από το Chromosome «Tectonics»

Τα χρωμοσώματα, οι δέσμες του DNA που πρωταγωνιστούν στο μιτωτικό μπαλέτο της κυτταρικής διαίρεσης, παίζουν πρωταγωνιστικό ρόλο στη σύνθετη ζωή. Αλλά το ερώτημα για το πώς δημιουργήθηκαν και εξελίχθηκαν τα χρωμοσώματα ήταν από καιρό αποθαρρυντικά δύσκολο να απαντηθεί. Αυτό οφείλεται εν μέρει στην έλλειψη γονιδιωματικών πληροφοριών σε επίπεδο χρωμοσωμάτων και εν μέρει στην υποψία ότι αιώνες εξελικτικής αλλαγής έχουν ξεβράσει οποιεσδήποτε ενδείξεις σχετικά με αυτήν την αρχαία ιστορία.

Τώρα, σε μια εργασία που εμφανίζεται σήμερα στο Science Advances , μια διεθνής ομάδα ερευνητών με επικεφαλής τον Daniel Rokhsar, καθηγητή βιολογικών επιστημών στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ, έχει παρακολουθήσει αλλαγές στα χρωμοσώματα που συνέβησαν πριν από 800 εκατομμύρια χρόνια. Εντόπισαν 29 μεγάλα μπλοκ γονιδίων που παρέμειναν αναγνωρίσιμα καθώς περνούσαν σε τρεις από τις πρώτες υποδιαιρέσεις της πολυκύτταρης ζωικής ζωής. Χρησιμοποιώντας αυτά τα μπλοκ ως δείκτες, οι επιστήμονες συμπέραναν πώς τα χρωμοσώματα συγχωνεύτηκαν και ανασυνδυάστηκαν καθώς αυτές οι πρώιμες ομάδες ζώων έγιναν διακριτές.

Οι ερευνητές αποκαλούν αυτή την προσέγγιση «τεκτονική γονιδιώματος». Με τον ίδιο τρόπο που οι γεωλόγοι χρησιμοποιούν την κατανόησή τους για την τεκτονική των πλακών για να κατανοήσουν την εμφάνιση και την κίνηση των ηπείρων, αυτοί οι βιολόγοι ανασυνθέτουν τον τρόπο με τον οποίο διάφοροι γονιδιωματικοί διπλασιασμοί, συντήξεις και μετατοπίσεις δημιούργησαν τα χρωμοσώματα που βλέπουμε σήμερα.

Το έργο προαναγγέλλει μια νέα εποχή στη συγκριτική γονιδιωματική:Προηγουμένως, οι ερευνητές μελέτησαν συλλογές γονιδίων από διαφορετικές γενεές και περιέγραψαν τις αλλαγές ένα ζεύγος βάσεων τη φορά. Τώρα, καθώς γίνονται διαθέσιμα περισσότερα συγκροτήματα σε επίπεδο χρωμοσωμάτων, οι ερευνητές μπορούν να εντοπίσουν την εξέλιξη ολόκληρων χρωμοσωμάτων πίσω στην προέλευσή τους. Στη συνέχεια, μπορούν να χρησιμοποιήσουν αυτές τις πληροφορίες για να κάνουν στατιστικές προβλέψεις και να ελέγξουν αυστηρά υποθέσεις σχετικά με το πώς σχετίζονται ομάδες οργανισμών.

Πριν από δύο χρόνια, χρησιμοποιώντας παρόμοιες καινοτόμες μεθόδους, ο Rokhsar και οι συνεργάτες του έλυσαν ένα μακροχρόνιο μυστήριο σχετικά με το χρονοδιάγραμμα των διπλασιασμών του γονιδιώματος που συνόδευε την εμφάνιση σπονδυλωτών με γνάθο. Αλλά η σημασία της προσέγγισης δεν είναι καθαρά αναδρομική. Στη διαδικασία αυτών των ανακαλύψεων, οι ερευνητές μαθαίνουν για τους αλγεβρικά απλούς κανόνες που διέπουν το τι συμβαίνει όταν τα χρωμοσώματα ανταλλάσσουν κομμάτια του εαυτού τους. Αυτές οι πληροφορίες μπορούν να καθοδηγήσουν μελλοντικές γονιδιωματικές μελέτες και να βοηθήσουν τους βιολόγους να προβλέψουν τι θα βρουν στα γονιδιώματα των ειδών που δεν έχουν ακόμη προσδιοριστεί η αλληλουχία τους.

«Αρχίζουμε να μπορούμε να έχουμε μια ευρύτερη εικόνα της εξέλιξης των χρωμοσωμάτων στο δέντρο της ζωής», δήλωσε η Paulyn Cartwright, καθηγήτρια οικολογίας και εξελικτικής βιολογίας στο Πανεπιστήμιο του Κάνσας. Τώρα, είπε, οι επιστήμονες μπορούν να βγάλουν συμπεράσματα για το τι υπήρχε στα χρωμοσώματα στα πρώτα κιόλας ζώα. Μπορούν επίσης να εξετάσουν πώς τα διάφορα περιεχόμενα των χρωμοσωμάτων άλλαξαν ή παρέμειναν ίδια - και γιατί - καθώς τα ζώα διαφοροποιήθηκαν. "Δεν μπορούσαμε πραγματικά να το κάνουμε αυτό πριν αποκτήσουμε αυτά τα υψηλής ποιότητας γονιδιώματα."

Τι μοιράζονται τα αρχαία γονιδιώματα

Για τη μελέτη που δημοσιεύτηκε σήμερα, ο Rokhsar και μια μεγάλη διεθνής ομάδα συνεργατών παρήγαγαν το πρώτο υψηλής ποιότητας συγκρότημα σε επίπεδο χρωμοσώματος του γονιδιώματος της ύδρας, το οποίο περιέγραψαν ως μοντέλο για έναν «σεβάσμιο cnidarian». Συγκρίνοντάς το με άλλα διαθέσιμα γονιδιώματα ζώων, ανακάλυψαν εξαιρετικά διατηρημένες ομάδες συνδεδεμένων γονιδίων. Αν και η σειρά των γονιδίων μέσα σε ένα μπλοκ συχνά ανακατεύτηκε, τα ίδια τα μπλοκ ήταν σταθερά σε μεγάλες εκτάσεις εξελικτικού χρόνου.

Όταν οι επιστήμονες άρχισαν να αναλύουν την αλληλουχία των ζωικών γονιδιωμάτων πριν από περίπου 20 χρόνια, δεν ήταν δεδομένο για πολλούς από αυτούς ότι οι συνδεδεμένες ομάδες γονιδίων στα χρωμοσώματα θα μπορούσαν να παραμείνουν σταθερές και αναγνωρίσιμες σε αιώνες, πόσο μάλλον ότι θα ήταν δυνατό να παρακολουθηθεί η διέλευση αυτών των μπλοκ. γονιδίων μέσω ουσιαστικά όλων των ζωικών γενεαλογιών.

Τα ζώα αποκλίνονταν από τους μονοκύτταρους συγγενείς τους πριν από 600 εκατομμύρια ή 700 εκατομμύρια χρόνια και «το να αναγνωρίζεις τα κομμάτια των χρωμοσωμάτων που εξακολουθούν να διατηρούνται μετά από αυτό το χρονικό διάστημα είναι εκπληκτικό», δήλωσε ο Jordi Paps, εξελικτικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Μπρίστολ στο το Ηνωμένο Βασίλειο.

«Πριν έχουμε αυτά τα δεδομένα ολόκληρου του χρωμοσώματος, κοιτάζαμε μικρά αποσπάσματα των χρωμοσωμάτων και βλέπαμε πολλές αναδιατάξεις», είπε ο Cartwright. "Υποθέταμε λοιπόν ότι δεν υπήρχε διατήρηση, επειδή τα ίδια τα γονίδια μέσα σε μια περιοχή του χρωμοσώματος αλλάζουν θέσεις αρκετά συχνά."

Ωστόσο, παρόλο που η σειρά των γονιδίων αναδιατάχθηκε συχνά κατά μήκος των χρωμοσωμάτων, ο Rokhsar διαισθανόταν από τις προηγούμενες μελέτες του για τα γονιδιώματα των ζώων ότι υπήρχε σχετική σταθερότητα στην οποία τα γονίδια εμφανίζονταν μαζί. «Αν συγκρίνεις τη θαλάσσια ανεμώνη ή το σφουγγάρι με τον άνθρωπο… το γεγονός ότι τα γονίδια βρίσκονταν στο ίδιο κομμάτι DNA φαινόταν να έχει διατηρηθεί», εξήγησε ο Rokhsar. «Και το μοτίβο πρότεινε ότι ολόκληρα χρωμοσώματα διατηρήθηκαν επίσης». Αλλά αυτή η ιδέα δεν μπορούσε να δοκιμαστεί μέχρι πρόσφατα, όταν έγιναν διαθέσιμες αρκετές γονιδιωματικές πληροφορίες σε κλίμακα χρωμοσωμάτων για διάφορες ομάδες ζώων.

Γονιδιακή αδράνεια

Αλλά τι θα έκανε τα μπλοκ γονιδίων να παραμείνουν συνδεδεμένα μεταξύ τους; Μια εξήγηση για αυτό το φαινόμενο, που ονομάζεται synteny, σχετίζεται με τη λειτουργία των γονιδίων, λέει ο Harris Lewin, καθηγητής εξέλιξης και οικολογίας στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Davis, ο οποίος μελετά την εξέλιξη των γονιδιωμάτων των θηλαστικών. Μπορεί να είναι πιο αποτελεσματικό τα γονίδια που συνεργάζονται να εντοπίζονται και φυσικά μαζί. Με αυτόν τον τρόπο, όταν ένα κύτταρο χρειάζεται να μεταγράψει γονίδια, δεν χρειάζεται να συντονίζει τη μεταγραφή από πολλές θέσεις σε διαφορετικά χρωμοσώματα.

Αυτό πιθανώς εξηγεί τη διατήρηση ορισμένων συνόλων γονιδίων των οποίων η διάταξη είναι κρίσιμη:The Hox Τα γονίδια που καθορίζουν τα σχέδια σώματος των ζώων, για παράδειγμα, πρέπει να βρίσκονται σε συγκεκριμένη σειρά για να ρυθμίσουν σωστά το μοτίβο του σώματος. Αλλά αυτά τα στενά συνδεδεμένα γονίδια εμπίπτουν σε ένα σχετικά μικρό κομμάτι DNA. Ο Rokhsar λέει ότι δεν γνωρίζει καμία λειτουργική συσχέτιση που εκτείνεται σε ένα ολόκληρο χρωμόσωμα που θα μπορούσε να εξηγήσει τα ευρήματά τους.

Γι' αυτό ο Rokhsar είναι δύσπιστος ως προς τη λειτουργική εξήγηση. Είναι ελκυστικό ("Αυτό θα ήταν το πιο ωραίο αποτέλεσμα, κατά κάποιον τρόπο", είπε) αλλά επίσης ίσως περιττό γιατί, εκτός εάν μια αναδιάταξη χρωμοσωμάτων μεταφέρει ένα μεγάλο λειτουργικό πλεονέκτημα, είναι εγγενώς δύσκολο να εξαπλωθεί η αναδιάταξη. Και οι αναδιατάξεις συνήθως δεν είναι επωφελείς: Κατά τη διάρκεια της μείωσης και του σχηματισμού γαμετών, όλα τα χρωμοσώματα πρέπει να συζευχθούν με έναν αντίστοιχο σύντροφο. Χωρίς σύντροφο, ένα χρωμόσωμα περιττού μεγέθους δεν θα γίνει μέρος ενός βιώσιμου γαμετή, επομένως είναι απίθανο να φτάσει στην επόμενη γενιά. Μικρές μεταλλάξεις που αναδιοργανώνουν τη σειρά γονιδίων μέσα στα χρωμοσώματα μπορούν ακόμα να συμβούν ("Υπάρχει πιθανώς λίγο περιθώριο λάθους όσον αφορά τις μικρές αναδιατάξεις, έτσι ώστε να μπορούν ακόμα να αναγνωρίζουν ο ένας τον άλλον", είπε ο Cartwright). Αλλά τα σπασμένα ή συντηγμένα χρωμοσώματα τείνουν να είναι αδιέξοδα.

Ίσως σε ομάδες όπως τα θηλαστικά, που έχουν μικρά μεγέθη πληθυσμού, μια αναδιάταξη θα μπορούσε να εξαπλωθεί τυχαία μέσω αυτού που είναι γνωστό ως γενετική μετατόπιση, προτείνει ο Rokhsar. Αλλά σε μεγάλους πληθυσμούς που αναμειγνύονται ελεύθερα όπως εκείνοι των θαλάσσιων ασπόνδυλων που γεννούν εκατοντάδες ή χιλιάδες αυγά, «είναι πραγματικά δύσκολο για μια από τις νέες ανακατατάξεις να πραγματοποιηθεί», είπε. «Δεν είναι ότι δεν δικάζονται. Απλώς δεν μπορούν ποτέ να αποκτήσουν ένα πόδι στην εξέλιξη.»

Κατά συνέπεια, τα γονίδια τείνουν να παραμένουν κολλημένα σε ένα χρωμόσωμα. «Οι διαδικασίες με τις οποίες κινούνται είναι απλώς αργές, σε κλίμακα 500 εκατομμυρίων ετών», είπε ο Rokhsar. "Αν και έχει περάσει πάρα πολύς χρόνος, δεν είναι ακόμα αρκετός για να μετακινηθούν."

Η ομάδα του Rokhsar διαπίστωσε, ωστόσο, ότι όταν συνέβησαν αυτές οι σπάνιες συγχωνεύσεις χρωμοσωμάτων, άφησαν μια ξεκάθαρη υπογραφή:Μετά από μια σύντηξη, τα γονίδια από τα δύο μπλοκ αναμίχθηκαν και αναδιατάχθηκαν επειδή συσσωρεύτηκαν σε αυτά «μεταλλάξεις αναστροφής» με την πάροδο του χρόνου. Ως αποτέλεσμα, τα γονίδια από τα δύο μπλοκ αναμειγνύονται σαν γάλα που χύνεται σε ένα φλιτζάνι τσάι, για να μην διαχωριστούν ποτέ ξανά. "Υπάρχει μια εντροπική ώθηση προς την ανάμειξη που δεν μπορείτε να αναιρέσετε", είπε ο Rokhsar.

Και επειδή οι διαδικασίες σύντηξης, μίξης και διπλασιασμού γονιδιακών μπλοκ είναι τόσο σπάνιες, μη αναστρέψιμες και συγκεκριμένες, είναι ανιχνεύσιμες:Είναι πολύ απίθανο ένα χρωμόσωμα να σπάσει στο ίδιο σημείο δύο φορές και στη συνέχεια να συγχωνευθεί και να αναμιχθεί με ένα άλλο γονιδιακό μπλοκ με τον ίδιο τρόπο .

Οι υπογραφές αυτών των γεγονότων στα χρωμοσώματα αντιπροσωπεύουν επομένως ένα νέο σύνολο παραγόμενων χαρακτηριστικών που μπορούν να χρησιμοποιήσουν οι βιολόγοι για να ελέγξουν υποθέσεις σχετικά με το πώς σχετίζονται τα είδη. Εάν δύο σειρές μοιράζονται ένα μείγμα δύο μπλοκ γονιδίων, τότε η ανάμειξη πιθανότατα συνέβη στον κοινό τους πρόγονο. Εάν οι γενεαλογίες έχουν δύο σύνολα των ίδιων μπλοκ γονιδίων, πιθανότατα συνέβη διπλασιασμός γονιδιώματος στον κοινό τους πρόγονο. Αυτό κάνει τα syntenies ένα «πολύ, πολύ ισχυρό εργαλείο», είπε ο Oleg Simakov, γονιδιωματικός στο Πανεπιστήμιο της Βιέννης και πρώτος συγγραφέας των εργασιών.

Δακτυλικά αποτυπώματα εξελικτικών γεγονότων

«Μια από τις αγαπημένες μου πτυχές της μελέτης μας είναι ότι κάνουμε προβλέψεις σχετικά με το τι να περιμένουμε σε γονιδιώματα που δεν έχουν ακόμη προσδιοριστεί η αλληλουχία τους», έγραψε ο Rokhsar σε ένα email στο Quanta . Για παράδειγμα, η ομάδα του ανακάλυψε ότι διάφορα ασπόνδυλα που ταξινομούνται ως σπειροειδή μοιράζονται τέσσερα συγκεκριμένα μοτίβα σύντηξης με ανάμειξη, πράγμα που σημαίνει ότι τα γεγονότα σύντηξης συνέβησαν στον κοινό τους πρόγονο. «Συνεπάγεται ότι όλα τα σπειροειδή θα πρέπει να δείχνουν αυτά τα μοτίβα σύντηξης με ανάμειξη», έγραψε ο Rokhsar. "Αν βρεθεί έστω και ένα σπιράλ που δεν έχει αυτά τα μοτίβα, τότε η υπόθεση μπορεί να απορριφθεί!"

Πρόσθεσε, «Δεν μπορείς να κάνεις πολύ συχνά τέτοιου είδους μεγάλες δηλώσεις για την εξελικτική ιστορία».

Στο νέο τους Science Advances paper, Simakov, Rokhsar και οι συνάδελφοί τους χρησιμοποίησαν την τεκτονική προσέγγιση για να μάθουν περισσότερα για την εμφάνιση ορισμένων από τις πρώτες ομάδες ζώων πριν από περίπου 800 εκατομμύρια χρόνια. Εξετάζοντας την ευρεία ζώνη της ζωής των ζώων που αντιπροσωπεύεται από σφουγγάρια, κνιδάρια (όπως ύδρας, μέδουσες και κοράλλια) και αμφίπλευρα ζώα (ζώα με αμφίπλευρη συμμετρία), οι ερευνητές βρήκαν 29 μπλοκ γονιδίων που διατηρήθηκαν σε μεγάλο βαθμό μεταξύ των χρωμοσωμάτων τους.

Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας τους κανόνες σύντηξης χρωμοσωμάτων και ανάμειξης γονιδίων που είχαν εντοπίσει, οι ερευνητές ανακατασκεύασαν τα γεγονότα σε επίπεδο χρωμοσώματος που συνόδευαν την εξέλιξη αυτών των τριών γενεαλογιών από έναν κοινό πρόγονο. Έδειξαν ότι τα χρωμοσώματα των σπόγγων, των cnidarians και των biterians αντιπροσωπεύουν όλα διακριτούς τρόπους συνδυασμού στοιχείων από το προγονικό γονιδίωμα.

Μια προκλητική ανακάλυψη ήταν ότι μερικά από τα συνδεδεμένα μπλοκ γονιδίων φαίνεται επίσης να υπάρχουν στο γονιδίωμα ορισμένων μονοκύτταρων πλασμάτων όπως τα choanoflagellates, οι πιο στενοί συγγενείς των πολυκύτταρων ζώων. Στα πολυκύτταρα ζώα, ένα από αυτά τα μπλοκ περιέχει ένα ποικίλο σύνολο γονιδίων homeobox που καθοδηγούν την ανάπτυξη της γενικής δομής του σώματός τους. Αυτό υποδηλώνει ότι ένα από τα πιο πρώιμα γεγονότα στην εμφάνιση πολυκύτταρων ζώων ήταν η επέκταση και η διαφοροποίηση αυτών των σημαντικών γονιδίων. «Αυτές οι αρχαίες μονάδες σύνδεσης παρέχουν ένα πλαίσιο για την κατανόηση της εξέλιξης των γονιδίων και του γονιδιώματος στα ζώα», σημείωσαν οι επιστήμονες στην εργασία τους.

Η προσέγγισή τους μπορεί να διακρίνει μεταξύ λεπτών αλλά σημαντικών διαφορών στα χρωμοσωμικά συμβάντα. Για παράδειγμα, στην εργασία τους του 2020, οι ερευνητές συμπέραναν ότι το γονιδίωμα των σπονδυλωτών υποβλήθηκε σε διπλασιασμό κάποια στιγμή στην περίοδο της Κάμβριας προτού η εξέλιξη χωρίσει τα ψάρια χωρίς γνάθο και με σαγόνι. Στη συνέχεια βρήκαν στοιχεία ότι δύο ψάρια με σαγόνι υβριδίστηκαν αργότερα και υπέστησαν μια δεύτερη διπλασιασμό του γονιδιώματός τους. Αυτό το υβρίδιο έγινε ο πρόγονος όλων των οστέινων ψαριών.

Ο John Postlethwait, γονιδιωματικός στο Πανεπιστήμιο του Όρεγκον, τονίζει τη σημασία της μεθόδου ανάλυσης της ομάδας. «Ακολούθησαν μια στατιστική προσέγγιση και δεν είπαν απλώς, «Λοιπόν, μου φαίνεται ότι συνέβη αυτό και αυτό», είπε. "Αυτό είναι ένα πραγματικά σημαντικό μέρος της μεθοδολογίας τους, όχι μόνο ότι είχαν πρόσβαση σε γονιδιώματα υψηλότερης ποιότητας, αλλά και ότι ακολούθησαν αυτήν την ποσοτική προσέγγιση και δοκίμασαν πραγματικά αυτές τις υποθέσεις."

Αυτές οι μελέτες σηματοδοτούν μόνο την αρχή του τι μπορεί να μας διδάξει η τεκτονική του γονιδιώματος και οι γενετικές συνενώσεις. Σε πρόσφατες προεκτυπώσεις που κοινοποιήθηκαν στο biorxiv.org, η ομάδα του Rokhsar ανακατασκεύασε την εξέλιξη των χρωμοσωμάτων βατράχου και μια ευρωπαϊκή ομάδα εξέτασε την εξέλιξη των χρωμοσωμάτων των τελεοστών ψαριών. Μια μελέτη στην Τρέχουσα Βιολογία βρήκε μια «μαζική αναστροφή γονιδιώματος» που οδηγεί στη συνύπαρξη διαφορετικών μορφών στα κοινά ορτύκια, υπονοώντας ορισμένες από τις λειτουργικές συνέπειες της αναδιάταξης των χρωμοσωμάτων.

Είναι δελεαστικό να υποθέσουμε ότι η ανάμειξη αυτών των ομάδων γονιδιακής σύνδεσης θα μπορούσε να σχετίζεται με τη διαφοροποίηση της γενεαλογίας και την εξελικτική καινοτομία τα τελευταία 500 εκατομμύρια χρόνια. Οι χρωμοσωμικές ανακατατάξεις μπορεί να οδηγήσουν σε ασυμβατότητες ζευγαρώματος που θα μπορούσαν να προκαλέσουν τη διαίρεση μιας γενεαλογίας στα δύο. Είναι επίσης πιθανό ότι ένα γονίδιο που προσγειώνεται σε μια νέα γειτονιά θα μπορούσε να έχει οδηγήσει σε καινοτομίες στη γονιδιακή ρύθμιση. "Ίσως αυτή ήταν μια από τις κινητήριες δυνάμεις στη διαφοροποίηση των ζώων", είπε ο Simakov.

«Αυτό είναι το μεγάλο ερώτημα», είπε ο Lewin. "Αυτές είναι πραγματικά τεκτονικές αλλαγές στο γονιδίωμα και δεν είναι πιθανό να είναι χωρίς συνέπειες."