Τα έντομα κατέκτησαν ένα υδάτινο βασίλειο με μόλις δύο νέα γονίδια
Από τότε που ο Δαρβίνος διατύπωσε τη θεωρία του για τη φυσική επιλογή, το ζήτημα των εξελικτικών καινοτομιών έχει κεντρίσει το ενδιαφέρον των βιολόγων. Είναι σχετικά εύκολο να κατανοήσουμε πώς η φυσική επιλογή μπορεί να αναδιαμορφώσει ένα υπάρχον χαρακτηριστικό - να κάνει τα κέρατα μεγαλύτερα, τα πόδια μακρύτερα ή τα φτερά πιο χρωματιστά. Αλλά μερικές φορές ένα πλήρως σχηματισμένο χαρακτηριστικό εμφανίζεται φαινομενικά ασυνήθιστο, χωρίς κανένα εμφανές προηγούμενο. Από πού προήλθε;
Μέρος της απάντησης μπορεί να βρεθεί σε μια νέα μελέτη που εμφανίζεται σήμερα στο Science Αυτό δείχνει πώς η ξαφνική εμφάνιση μόνο ενός ή δύο νέων γονιδίων μπορεί να μεταμορφώσει βαθιά την εμφάνιση, τη συμπεριφορά και την οικολογική θέση των οργανισμών. Χρησιμοποιώντας αναπτυξιακή γενετική, εξελικτική ανάλυση, εμβιομηχανική και οικολογία, οι ερευνητές σχεδιάζουν μια εικόνα του πώς εξελίχθηκε μια ζωτική καινοτομία σε μια ομάδα υδρόβιων εντόμων. Αλλά η σημασία της ανακάλυψης ως μοντέλου για την εξελικτική καινοτομία θα μπορούσε να επεκταθεί σε όλο το ζωικό βασίλειο.
«Οι άνθρωποι έχουν δείξει με συγκριτική γονιδιωματική ότι νέα γονίδια μπορούν να εμπλέκονται σε νέες δομές. Αλλά αυτή είναι η πρώτη φορά, εξ όσων γνωρίζω, που εδραιώνεται η άμεση σύνδεση από ένα νέο γονίδιο σε μια νέα δομή με την εισβολή μιας εντελώς νέας οικολογικής ευκαιρίας», δήλωσε ο Abderrahman Khila, ένας εξελικτικός και αναπτυξιακός γονιδιωματικός στο Ινστιτούτο Λειτουργικών Genomics of Lyon, ο οποίος ηγήθηκε της μελέτης για τα ευαίσθητα έντομα που ονομάζονται water striders.
Οι οδηγοί νερού είναι έμπειροι στην πλοήγηση στην επιφάνεια του ακίνητου νερού. γλιστρούν σε λίμνες και λίμνες σε όλο τον κόσμο. Αυτά στο τροπικό γένος Rhagovelia , ωστόσο, έχουν επίσης καταλάβει πώς να περπατούν σε ρέματα με γρήγορη ροή και ταραγμένα λευκά νερά. Το μυστικό τους πλεονέκτημα είναι μια ειδική επεκτεινόμενη δομή στο μεσαίο πόδι τους που μοιάζει με ιαπωνικό ανεμιστήρα, που κανένας άλλος οδηγός νερού δεν έχει. Με την ανάπτυξη του ανεμιστήρα, τα έντομα μπορούν να αυξήσουν την επαφή του ποδιού τους με την επιφάνεια του νερού και μπορούν να πιέσουν προς το νερό πιο δυνατά. Είναι μια έξυπνη προσαρμογή, αλλά πώς το έκανε η Rhagovelia να το αποκτήσετε όταν δεν έχει πρόδρομες ουσίες σε άλλους υδρομετρητές;
Για να καταλάβουν από πού προερχόταν ο οπαδός του ποδιού, ο Khila και η μεταδιδακτορική συνάδελφός του Emília Santos, μαζί με μερικούς φοιτητές, έπρεπε πρώτα να καταλάβουν πώς να αναστηλώσουν τους ανεμιστήρες νερού στο εργαστήριο - μια μη τετριμμένη εργασία με αυτό που αποδείχθηκε ένα επιπόλαιο είδος. Χρειάστηκαν περίπου τρία χρόνια για να καταλάβουμε πώς να διατηρήσουμε τα έντομα σε ολόκληρο τον κύκλο ζωής, από το αυγό μέχρι τον ενήλικα. Μόλις δημιουργηθεί η αποικία, η ομάδα ήταν έτοιμη για πειράματα.
Η Khila και ο Santos γειώνουν τα αναπτυσσόμενα πόδια της Rhagovelia χρησιμοποίησαν το νερό και ανέλυσαν την αλληλουχία του μεταγραφώματος — την πλήρη σειρά γονιδίων που είναι ενεργά σε αυτούς τους ιστούς. Ο ανεμιστήρας υπάρχει μόνο στο δεύτερο ζεύγος ποδιών, έτσι οι ερευνητές συνέκριναν τη γονιδιακή δραστηριότητα στο δεύτερο ζεύγος με αυτή του πρώτου και του τρίτου ζεύγους. Ανακάλυψαν περίπου 80-90 γονίδια που υπερεκφράζονται μόνο στα δεύτερα πόδια.
Στη συνέχεια, χρησιμοποίησαν μια μέθοδο που ονομάζεται in situ υβριδισμός για να εντοπίσουν πού στο πόδι ήταν ενεργά αυτά τα 80-90 γονίδια. Οι Khila και Santos αναγνώρισαν πέντε γονίδια από αυτήν την ομάδα που εκφράστηκαν ειδικά στην άκρη του δεύτερου ποδιού, όπου αναπτύσσεται ο ανεμιστήρας. Τρία από τα πέντε σχετίζονταν με τη δομή της επιδερμίδας, το προστατευτικό εξωτερικό στρώμα του εξωσκελετού του εντόμου. Τα άλλα δύο γονίδια φάνηκαν να είναι παράλογα - γονίδια που είναι το αποτέλεσμα ενός γεγονότος διπλασιασμού στο DNA. Η λειτουργία των παραλόγων ήταν άγνωστη.
Αναζητώντας ενδείξεις σχετικά με τη λειτουργία των δύο παραλόγων, οι ερευνητές αναζήτησαν τα γονίδια σε πολλά είδη υδατοδρομέων. Εξετάζοντας την εξελικτική ιστορία των γονιδίων στη γενεαλογία των υδατοδρομητών, οι ερευνητές αποκάλυψαν το προγονικό αντίγραφο του γονιδίου (που διακρίνεται από το πιο πρόσφατο αντίγραφο) και κατέγραψαν τη στιγμή στον εξελικτικό χρόνο που εμφανίστηκε το αντίγραφο:στην προέλευση του Rhagovelia γένος. Μόνο βόλτες με νερό στα Rhagovelia Το γένος έχει το διπλότυπο γονίδιο και είναι επίσης τα μόνα που έχουν ανεμιστήρα ποδιών.
«Η εξέλιξη του ανεμιστήρα συμπίπτει με τον διπλασιασμό αυτού του γονιδίου», είπε η Khila, σημειώνοντας επίσης ότι η έκφραση του γονιδίου στην άκρη του ποδιού είναι σημαντική. "Είναι ένα μεγάλο όπλο που καπνίζει."
Επειδή ο ανεμιστήρας των ποδιών θύμιζε στους ερευνητές έναν Ιάπωνα θαυμαστή, αποφάσισαν να ονομάσουν το νεότερο γονίδιο geisha και την προγονική του εκδοχή μητέρα της γκέισας . Για να μάθουν τι έκαναν τα γονίδια, χρησιμοποίησαν μια μέθοδο που ονομάζεται παρεμβολή RNA για να «καταρριφθεί» (ή να απενεργοποιηθεί) η έκφραση αυτών των γονιδίων. Knockdown της geisha και μητέρα της γκέισας έκανε τα έντομα που προέκυψαν να κάνουν μόνο μικρούς, υποτυπώδεις βεντάλιες. (Λόγω των ισχυρών ομοιοτήτων αλληλουχίας μεταξύ των δύο γονιδίων, οι επιστήμονες δεν έχουν ακόμη καταφέρει να απενεργοποιήσουν το ένα χωρίς το άλλο, επομένως οι διαφορές μεταξύ των λειτουργιών τους είναι ακόμα ασαφείς.)
Στη συνέχεια, η Khila και ο Santos προκάλεσαν τα έντομα στο νερό για να καταλάβουν τι έκαναν οι οπαδοί για αυτά. Συνέκριναν τέσσερις ομάδες:ένα στενά συγγενικό γένος υδραυλικών που ονομάζεται Stridulivelia που δεν έχει θαυμαστές, χωρίς θεραπεία Rhagovelia , Rhagovelia στην οποία αφαιρέθηκε χειρουργικά ο ανεμιστήρας και Rhagovelia στην οποία geisha και μητέρα της γκέισας καταρρίφθηκαν από παρεμβολή RNA.
Οι ερευνητές παρατήρησαν πώς τα έντομα αντιμετώπισαν δύο διαφορετικά υδάτινα περιβάλλοντα. Σε ήρεμα νερά, ο ανεμιστήρας δεν φαινόταν να παρέχει πλεονέκτημα ταχύτητας στην κίνηση, αν και οι βεντάλιες με βεντάλιες μπορούσαν να πάνε πιο μακριά με κάθε χτύπημα του ποδιού, πράγμα που σήμαινε ότι μπορούσαν να κωπηλατήσουν πιο αργά. "Έτσι μπορούν να πάνε το ίδιο γρήγορα χωρίς να δουλέψουν τόσο σκληρά", είπε η Khila.
Στο δύσκολο περιβάλλον του ρέοντος νερού, ωστόσο, οι ανεμιστήρες παρείχαν ένα κρίσιμο πλεονέκτημα:επέτρεψαν στα έντομα να κινηθούν προς τα πάνω, ενώ εκείνα που δεν είχαν ανεμιστήρες παρασύρονταν από το ρεύμα. Η Rhagovelia με γονίδια που είχαν καταρρεύσει, τα οποία είχαν αναπτύξει μόνο υποτυπώδεις ανεμιστήρες, μπορούσαν να αντιμετωπίσουν το νερό που κινούνταν αργά, αλλά απέτυχε σε υψηλότερες ταχύτητες. Εν ολίγοις, οι θαυμαστές — ακόμη και σε πρωτόγονη μορφή — ήταν κρίσιμοι για την ενεργοποίηση της Rhagovelia είδη για πλοήγηση σε τρεχούμενα νερά, όπου τα στενά συγγενικά είδη δεν μπορούσαν.
Ο Khila είπε ότι είναι σπάνιο τα πειράματα να μπορούν να συνδυάσουν εμβιομηχανική, μεταγραφική, εξελικτική βιολογία, οικολογία και αναπτυξιακή γενετική, αλλά αυτός ο συνδυασμός είναι αυτό που χρειάζεται για να δώσει μια πλήρη απάντηση στο πώς συμβαίνει η φαινοτυπική εξέλιξη.
«Η ολοκληρωμένη, διεπιστημονική φύση αυτής της επίδειξης είναι αυτό που είναι εντυπωσιακό εδώ», δήλωσε ο Ehab Abouheif, ένας εξελικτικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο McGill. (Ο Abouheif δεν συμμετείχε στη μελέτη, αλλά ήταν ο μεταδιδακτορικός σύμβουλος της Khila μεταξύ 2006 και 2011.) Σύμφωνα με τον Abouheif, η Khila δεν έδειξε απλώς ότι αυτό το νέο γονίδιο κάνει τους λάτρεις του νερού. Επίσης, «ανακατασκευάζει την εξελικτική του ιστορία και στη συνέχεια κάνει οικολογικές δοκιμές για το εμπορικό σήμα για να δείξει ότι έχει οικολογική λειτουργία».
«Αυτή η μελέτη είναι πραγματικά εντυπωσιακή», συμφώνησε ο Greg Wray, ένας εξελικτικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο Duke. «Συνήθως κάτι τέτοιο συναρμολογείται σε μια χρονική περίοδο, ίσως από διαφορετικές ομάδες, και μετά υπάρχει ένα τελευταίο κομμάτι που τις συνδέει μεταξύ τους. Είναι εντυπωσιακό να μπορείς να περάσεις βασικά ολόκληρο το τόξο του έργου με μία κίνηση όπως αυτό.
«Το άλλο πράγμα που νομίζω ότι είναι ενδιαφέρον είναι ότι δεν υπάρχουν τόσες πολλές περιπτώσεις όπου οι άνθρωποι μπόρεσαν να χρησιμοποιήσουν γονιδιακή έκφραση, χωρίς γενετική, για να μεγεθύνουν με τόση ακρίβεια μια γενετική αλλαγή που προκαλεί ένα προφανές χαρακτηριστικό», πρόσθεσε. "Οπότε και αυτό είναι πολύ εντυπωσιακό."
Φυσικά, τα γονίδια geisha και μητέρα της γκέισας μην ενεργείτε μεμονωμένα. Ο Khila και η ομάδα του προσπαθούν τώρα να ανακαλύψουν ποια άλλα γονίδια αλληλεπιδρούν μαζί τους, έτσι ώστε να αποκαλύψουν το πλήρες αναπτυξιακό γενετικό δίκτυο που δημιουργεί τη δομή των θαυμαστών. Ο Wray υποπτεύεται ότι η γκέισα και μητέρα της γκέισας συνεπιλέγουν ένα δίκτυο γονιδίων που έχει διαφορετικό σκοπό. «Είναι πραγματικά δύσκολο να φανταστεί κανείς ότι αυτά τα δύο γονίδια από μόνα τους δημιουργούν τις δομές», είπε. "Θα υποθέσω ότι αντλούν κάποια άλλα γονίδια που έχουν άλλους ρόλους στην ανάπτυξη."
Τούτου λεχθέντος, βιολόγοι που είναι εξοικειωμένοι με τη μελέτη βρίσκουν επίσης ενδιαφέρον ότι η geisha και μητέρα της γκέισας είναι νέα γονίδια που δεν έχουν γνωστό ρόλο στην ανάπτυξη. «Μέχρι στιγμής, η βιβλιογραφία [σχετικά με τις εξελικτικές καινοτομίες] κυριαρχείται από παραδείγματα συνεπιλογής και επανατοποθέτησης «παλιών» γονιδίων και οδών σε «νέα» πλαίσια», δήλωσε ο Armin Moczek, εξελικτικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Ιντιάνα, σε ένα email. .
«Από σημεία με φτερά πεταλούδας μέχρι κέρατα σκαθαριών και πολλά άλλα παραδείγματα, η εικόνα που προκύπτει είναι αυτή των οργανισμών ως δημιουργίες Lego, ως τροποποιημένες ανασυναρμολογήσεις της ίδιας και φαινομενικά πολύ περιορισμένης δεξαμενής γονιδίων, αναπτυξιακών οδών και μορφογενετικών διεργασιών», Moczek συνεχίζεται. «Πλέον αναμένουμε να δούμε την καινοτομία να γίνεται δυνατή μέσω της συνεργασίας. Αυτό που δείχνει αυτό το έγγραφο είναι ότι τα νέα γονίδια συνεχίζουν να έχουν σημασία». Ακόμη και μεταξύ των στενά συγγενών ειδών, είπε, η ξαφνική εμφάνιση νέων γονιδίων μπορεί να βοηθήσει στη διευκόλυνση της «οικολογικά σημαντικής καινοτομίας».
Ο Ian Dworkin, ένας γενετιστής που μελετά την εξέλιξη των μυγών στο Πανεπιστήμιο McMaster, σημείωσε ότι στη βιβλιογραφία της έρευνας evo-devo - η οποία εξετάζει τον ρόλο των αναπτυξιακών μηχανισμών στις εξελικτικές αλλαγές - παραδείγματα γονιδίων που έχουν επιλεγεί είναι άφθονα. Αυτό που δεν είναι ξεκάθαρο είναι αν αυτή η αφθονία αντανακλά τη συχνότητα με την οποία εμφανίζεται η συν-επιλογή στη φύση ή αν είναι αποτέλεσμα μεροληψίας εξακρίβωσης (συστηματικά σφάλματα δειγματοληψίας που εισάγονται από τον τρόπο με τον οποίο οι βιολόγοι μελετούν το evo-devo). «Είναι ωραίο να βλέπεις μια δροσερή καινοτομία που εμπλέκει ένα νέο γονίδιο – δεν είναι απλώς μια ιστορία συν-επιλογής», είπε. "Γι' αυτό είναι πραγματικά συναρπαστικό."
Ο Dworkin αναρωτιέται εάν εισάγει και ενεργοποιεί την geisha και μητέρα της γκέισας σε Stridulivelia , το αδελφό γένος των Rhagovelia χωρίς θαυμαστές , θα ήταν αρκετό για να πυροδοτήσει την ανάπτυξη του ανεμιστήρα του ποδιού. Αν και το πείραμα θα ήταν πολύ δύσκολο να πραγματοποιηθεί σε έναν οργανισμό που δεν είναι πρότυπο, "αυτό θα ήταν το πραγματικό κίνητρο για να αποδειχθεί ότι αυτό είναι το βασικό γονίδιο για αυτό", είπε.
Οι εξελικτικοί επιστήμονες συχνά κολλάνε σε ένα τέλμα σκέφτονται τη συνεπιλογή παλαιών γονιδίων ή την εμφάνιση νέων ως αποκλειστικών εναλλακτικών, είπε ο Abouheif. Αλλά αυτή η μελέτη είναι μια υπενθύμιση ότι η εξέλιξη μπορεί να είναι ένας συνδυασμός και των δύο, μέσω της ανακύκλωσης του παλιού και της προσθήκης του νέου σε δίκτυα που δημιουργούν καινοτομία. Το ερώτημα που πρέπει να συλλογιστούν οι ερευνητές, είπε, είναι:«Πώς συναρμολογούνται αυτά τα δίκτυα;»
