Эволюция плавников ската сопровождалась реорганизацией генома

Изучение эволюции генома — крайне сложная задача. Так, транскриптомный анализ позволил описать регуляторные пути, ответственные за развитие крылоподобных плавников скатов. При этом геномные изменения, приведшие к их формированию, до сих пор оставались неизвестными. В новой работе международная группа ученых получила геном ежового ската Leucoraja erinacea и описала эволюционные изменения, приведшие в итоге к формированию характерной структуры плавников.

Авторы секвенировали и собрали геном ската на уровне хромосом. Геном включает в себя 40 хромосомных элементов: 19 макрохромосом (более 40 Мб), 14 мезохромосом (20–40 Мб) и 7 микрохромосом (<20 Мб). Удалось аннотировать 26 715 генов, из которых 23 870 имеют гомологи в геномах других видов. По результатам филогенетического анализа оказалось, что скаты и акулы могли разойтись около 286 миллионов лет назад, т.е. раньше, чем было установлено предыдущими работами.

Анализ хромосомной организации L. erinacea показал, что она весьма сходна с таковой у последнего общего предка скатов и акул. Так, у ежового ската присутствуют 37 из 39 описанных предковых групп сцепления. Большое количество микрохромосом также является предковым признаком. В целом хромосомная организация хрящевых рыб очень консервативна. Порядок генов у различных клад хрящевых рыб имеет гораздо больше сходств, чем между другими кладами с сопоставимым уровнем дивергенции, например млекопитающих и лягушек.

Дальнейшее изучение хромосомной структуры с помощью технологии Hi-C в комбинации с иммунопреципитацией (HiChIP) показало, что геном ската организован в топологически ассоциированные домены (TAD) с медианной длиной 800 кб — промежуточное значение между млекопитающими и костистыми рыбами. TAD ассоциированы с хроматиновыми петлями и, что наиболее вероятно, формировались за счет их образования. Такой же механизм наблюдается у костистых рыб и тетрапод, следовательно, это может быть предковым признаком.

Чтобы выяснить, как могли повлиять геномные перестройки на формирование крылоподобных плавников, авторы проанализировали нарушения синтении в геноме ската. Ожидаемо, количество нарушений увеличивалось с ростом филогенетической дистанции. Так, между двумя линиями скатов наблюдалось 18 нарушений, а между хрящевыми и костистыми рыбами 1801. Ученые сосредоточились на 123 нарушениях, общих для двух видов скатов (L. erinacea и Amblyraja radiata) по отношению к другим позвоночным. Из них 42 находились около границ TAD, тогда как при случайном распределении ожидалось 15. Это свидетельствует о том, что нарушения синтении внутри TAD эволюционно невыгодны.

Анализ сигнальных путей, ассоциированных с генами, входящими в TAD с нарушениями синтении, показал высокую ассоциацию с путями Wnt и PCP, регулирующими эмбриогенез, дифференцировку клеток и их пространственную ориентацию внутри тканей. В частности, ученые идентифицировали регуляторный ген prickle1 с наиболее выраженным повышением экспрессии. Искусственное ингибирование экспрессии prickle1 в эмбрионе ската препятствовало расширению плавника и образованию характерной формы. Таким образом, ученые показали, что изменения в структуре TAD предположительно повлияли на эволюцию формы плавников скатов.

Наконец, ученые описали транскриптомные изменения, ассоциированные с формой плавников. В частности, авторы обнаружили потенциальный новый энхансер, специфичный для скатов, относящийся к семейству hoax; его ген расположен между hoxa1 и hoxa2. Этот энхансер присутствует и у других хрящевых рыб, однако не проявляет энхансерную активность ни у кого, кроме скатов.

Таким образом, исследование продемонстрировало ключевую роль перестроек в организации хроматина в адаптивной эволюции. Однако «результаты все же нуждаются в подтверждении с использованием традиционных подходов биологии развития», отмечается в комментарии Nature.

Потеря энхансера гена Pitx1 приводит к нарушению развития задних конечностей из-за перестройки хроматина