化学染色的鳐鱼揭示了导致这种鱼不寻常的身体结构的结构特征。
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介绍
被称为鳐鱼的海洋生物沿着海底掠过，摆动着它们翼状的胸鳍来推动自己前进，并激起躲在沙子里的小生物。它们不寻常的扁平身体结构使它们成为海洋中最奇怪的鱼类之一，而且更奇怪的是，它们是从大约 2.85 亿年前游弋的流线型、类似鲨鱼的食肉动物进化而来的。
现在，研究人员发现了溜冰鞋如何进化出其独特的外形：溜冰鞋 DNA 序列的重排改变了其基因组的 3D 结构，并破坏了关键发育基因与控制它们的调控序列之间的古老联系。这些变化反过来又重新起草了动物的身体计划。科学家们于 4 月在《自然》杂志上报告了他们的发现。
这一发现将溜冰鞋的进化转变归因于指导发育的遗传机制，从而解开了它的谜团。 “化石记录告诉你这种变化发生了，但它究竟是如何发生的呢？”加州大学默塞德分校的分子遗传学家Chris Amemiya说，他没有参与这项新研究。 “这是一个经典的 evo-devo 问题。”
几年前，进化基因组学家何塞·路易斯·戈麦斯-斯卡梅塔 (José Luis Gómez-Skarmeta)召集了一支由基因组学研究人员和进化发育生物学家组成的多元化国际团队，以揭示冰鞋新颖体型的起源。之所以需要一个团队，部分原因是第一步是对鳐鱼的基因组进行测序和组装，而编译鳐鱼和鲨鱼等软骨鱼类的基因组非常困难。
“它们真的很难组合在一起，因为它们很大——通常比人类基因组还大，”法国蒙彼利埃大学的进化发育遗传学家Mélanie Debiais-Thibaud说，她没有参与这项工作。
对于他们的工作，该团队选择了在北美大西洋沿岸很容易收集到的小鳐鱼 ( Leucoraja erinacea )。它也可以在实验室中饲养，这使得作为该项目的一部分对动物进行发育和功能实验成为可能。
通过将小溜冰鞋的基因组与其他脊椎动物的基因组进行比较，研究人员确定溜冰鞋的基因组在序列水平上与其脊椎动物祖先的基因组总体上保持非常相似。然而，有一些显着的重排会影响基因组的 3D 结构。在个体的 DNA 中，这种重排可以通过摆脱基因调控而导致疾病。这一发现让研究人员想知道溜冰鞋的重排是否可能同样破坏了他们身体计划的原始遗传指令。
打破界限
如果您查看染色体的 DNA 序列，其中的基因似乎与调节这些基因活性的短“增强子”序列相去甚远。但在实践中，由于细胞核中的 DNA 如何盘绕、折叠和环回自身，它们通常相距不远。
在脊椎动物中，功能相关的基因集及其增强子在三个维度上以物理方式组合在一起，称为拓扑关联域或 TAD。边界区域有助于确保增强子只作用于同一 TAD 中的基因。
蛋黄囊上的鳐鱼胚胎。其发育计划的改变导致其胸鳍的前缘向前延伸并与头部融合。
Mary Colasanto 和 Emily Mis，胚胎学课程，海洋生物实验室 (MBL)
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然而，当发生重大的基因组重排时——就像团队在溜冰鞋的 DNA 中看到的那样——边界可能会丢失，基因在染色体上的相对位置可能会发生变化。因此，“一些增强子可以向错误的基因提供指令，”柏林 Max Delbrück 中心的进化生物学家、该研究的资深作者之一Dario Lupiáñez解释道。
溜冰鞋基因组 3D 结构的变化似乎有可能破坏了溜冰鞋从其鲨鱼祖先那里继承的古老基因块，从而影响了基因的功能。伦敦大学学院的基因组学家、该研究的共同第一作者Ferdinand Marlétaz说：“我们试图研究小溜冰鞋中的一些基因组重排是否真的打破了这些障碍。”
研究人员在这种小溜冰鞋中发现了其他任何脊椎动物都不存在的基因组重排。然后，他们根据基因组序列将注意力集中在似乎最有可能影响 TAD 完整性的变化上。
这一努力导致他们进行了重排，他们预测这种重排将消除 TAD 的边界，TAD 调节称为平面细胞极性 (PCP) 通路的发育系统。他们没有预料到：关于 PCP 通路的已知功能，没有任何内容立即表明它会调节鳍的发育。大多数情况下，它确定了胚胎中细胞的形状和方向。
一个新的遗传邻域
为了测试 TAD 变化对鳍发育的潜在影响，罗格斯大学的进化发育生物学家Tetsuya Nakamura将小型鳐鱼胚胎暴露于 PCP 通路抑制剂。它们鳍的前（前）边缘发生了强烈变化，并没有像往常那样长出来与头部相连。这表明祖先 TAD 的破坏通过激活身体新部位的 PCP 基因产生了溜冰鞋独特的鳍。
“TAD 的这种重排基本上改变了基因的整个环境，并将新的增强子带入基因附近，”Lupiáñez 说。
扩大的鳍和扁平的溜冰鞋形状使它能够占据新的环境利基，在海底附近捕猎。
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但这并不是研究人员发现的唯一相关基因组变化。他们还在一个增强子中发现了一个突变，该增强子调节发育上重要的hox组中某些基因的表达。 Hox基因指定了所有双侧对称动物的一般身体计划。它们的一个子集，即hoxa基因簇，通常仅在发育中的鳍的后（后）边缘和四肢中表达，它指定手指的形成。
在小冰鞋中， hoxa基因在鳍的后部和前部都很活跃。 Debiais-Thibaud 说，就好像沿着鳍背面的生长区已经沿着前面复制了一样，所以这种动物在鳍的前部形成了一组新的结构，与后部的结构对称。
Nakamura 表明，溜冰鞋的突变增强子导致了这种新的hoxa表达模式。他将鳐鱼的增强子与荧光蛋白基因相结合，然后将该基因组合插入斑马鱼胚胎中。这条鱼的胸鳍异常生长，前缘和后缘都出现了荧光，这表明鳐鱼的增强子在鳍的两个部分都驱动了hoxa表达。当中村用鲨鱼的增强剂重复实验时，鳍的生长没有受到影响，荧光仅限于后部。
Nakamura 说：“所以现在我们认为基因突变专门发生在滑冰鞋增强子中，这可以驱动滑冰鞋鳍中独特的hox基因表达。”
为新的生活方式而塑造
在研究人员重建的鳐鱼进化图景中，在鳐鱼谱系与鲨鱼分化后的某个时刻，它们在增强子中获得了突变，使它们的hoxa基因在胸鳍的前部和后部均活跃。在沿着鳍的前部生长的新组织中，基因组重排导致 PCP 通路被不同 TAD 中的增强子激活，这具有使鳍向前延伸并与动物头部融合的进一步作用。
“通过形成翼状结构，[溜冰鞋] 现在能够栖息在一个完全不同的生态位，即海底，”雨宫解释道。
黄貂鱼、蝠鲼和其他鳐鱼与鳐鱼密切相关（它们都被归类为“batoid”鱼类），它们类似的煎饼形状可能是由于相同的基因组重排。然而，鳐鱼也以基本上允许它们在水中飞行的方式修改了它们的翼状鳍。雨宫说：“鳐鱼的鳍有这些起伏，并停留在底部，但蝠鲼可以浮出水面，并有一种完全不同的运动方式。”
Marlétaz 说，虽然进化发育生物学家此前推测基因组 3D 结构的这些变化可能是可能的，但这可能是第一批明确将它们与体型的相当大的变化联系起来的论文之一。
Lupiáñez 还认为，这些发现的意义远远超出了对溜冰鞋的理解。 “这是一种思考进化的全新方式，”他说。结构重排“会导致基因在不该出现的地方被激活。”他补充说：“这可能是一种疾病机制，但它也可以作为进化的驱动力。”
原文： https://www.quantamagazine.org/how-3d-changes-in-the-genome-turned-sharks-into-skates-20230530/