Как скаты научились «летать» в воде: ответ в их геноме
Ученые из Центра Макса Дельбрюка в Берлине, Андалузского центра биологии развития (CABD) в Севилье и лабораторий США выяснили, как у скатов эволюционировали их характерные плавники-«крылья». Ключ к разгадке лежит не в кодирующих участках ДНК, а в некодирующих областях и трехмерных структурах, в которые упакован геном — топологически ассоциированных доменах (TAD).
Исследование, опубликованное в Nature, показывает, что геномные изменения, затрагивающие TAD, могут двигать эволюцию. «Это новый взгляд на то, как эволюционируют геномы», — говорит соавтор работы Дарьо Лупианьес.
Более 450 миллионов лет назад геном примитивной рыбы — предка всех позвоночных — удвоился дважды. Это привело к быстрой эволюции более 60 000 видов, включая человека и скатов (Leucoraja erinacea). Эти хрящевые рыбы — идеальные организмы для изучения эволюции парных конечностей.
В 2017 году группа ученых под руководством покойного Хосе Луиса Гомеса-Скарметы из CABD начала изучать эволюцию скатов, объединив экспертизу в геномике, биологии скатов и 3D-регуляции генов.
«Эволюция в значительной степени — это история изменений в регуляции экспрессии генов в процессе развития», — отмечал Гомес-Скармета.
ДНК упакована в ядре клетки не случайно, а в 3D-структуры — TAD, которые содержат гены и их регуляторные последовательности. Это обеспечивает включение/выключение нужных генов в нужное время.
Генетик Рафаэль Асемель использовал технологию Hi-C, чтобы определить 3D-структуру TAD у ската. Для интерпретации данных потребовался полный референсный геном. Ученые применили технологию длинного прочтения (long-read sequencing) вместе с Hi-C, чтобы собрать последовательность ДНК по кусочкам, как пазл, и сопоставить её с хромосомами ската.
Сравнив улучшенный геном ската с геномами ближайших родственников — акул, — ученые выявили TAD, измененные в ходе эволюции скатов. Эти домены включали гены пути Wnt/PCP, важного для развития плавников. Также была обнаружена уникальная для скатов вариация в некодирующей последовательности рядом с генами Hox, которые также регулируют развитие плавников.
«Эта специфичная последовательность может активировать несколько генов Hox в передней части плавников, чего не происходит у других рыб или четвероногих животных», — поясняет Кристина Палиу. Функциональные эксперименты подтвердили, что эти молекулярные изменения помогли скатам развить их уникальные плавники.
TAD как драйвер эволюции
Ранее было показано, что изменения в TAD могут влиять на экспрессию генов и вызывать болезни у человека. Данное исследование демонстрирует роль TAD в движении эволюции, что ранее отмечалось и у кротов.
После удвоения генома у предка позвоночных многие неиспользуемые и избыточные части были утеряны. «Исчезали не только гены, но и связанные с ними регуляторные элементы, и содержащие их TAD», — говорит Лупианьес. «Это говорит о том, что 3D-структура генома влияет на его эволюцию».
По словам Асемеля, TAD важны для регуляции генов, 40% из них консервативны у всех позвоночных. «Однако 60% TAD так или иначе эволюционировали. Каковы были последствия этих изменений для эволюции видов? Думаю, мы лишь прикоснулись к поверхности этого увлекательного явления».
Этот механизм эволюции, ограниченный структурой TAD, может быть широко распространен в природе. «Мы полагаем, что подобные механизмы могут объяснить многие другие интересные фенотипы в природе», — говорит Лупианьес. — Добавляя эти новые уровни — экспрессию генов, регуляцию генов и 3D-организацию хроматина, — область эволюционной геномики вступает в новую эру открытий».