Międzynarodowa współpraca z udziałem University of Wiedeń i University of Wisconsin-Madison (USA) doprowadziła do pierwszego zgromadzenia genomu na poziomie chromosomów w Sea Spider (Pycnogonum Litorale). Genom informuje o rozwoju charakterystycznego planu ciała pająka morskiego i stanowi punkt orientacyjny dla ujawnienia ewolucyjnej historii chelicerów w ogóle. Badanie zostało niedawno opublikowane w BMC Biology.
Pająki morskie (Pycnogonida) są morskimi stawonogami z wysoce nietypową anatomią: ich bagażnik jest bardzo wąski i krótki, wiele ich wewnętrznych układów narządów rozciąga się na ich długie nogi, a ich brzuch jest bardzo zmniejszony, do tego stopnia, że jest prawie nierozpoznawalny. Wraz ze znacznie bardziej znanymi zwierzętami, takimi jak pająki, skorpiony, roztocza lub kraby podkowy, pająki morskie należą do grupy zwanej Chelicerates, nazwaną na cześć ich pazurów, Chelicerae. Dziwny plan ciała tych „braku wizytów” rodzi fascynujące pytania: jakie czynniki genetyczne leżą u podstaw jego tworzenia? A co to może nam powiedzieć o ewolucyjnej historii Cheliceriates? Odpowiedzi leżą w ich genomie.
Genom o wysokiej rozdzielczości
Aby wyprodukować zgromadzenie genomu, naukowcy połączyli komplementarne technologie sekwencjonowania. Po pierwsze, materiał genetyczny pojedynczego osobnika P. letorale uzyskano przy użyciu tak zwanego „długoterminowego sekwencjonowania”, technologii, która jest w stanie uchwycić bardzo długie odcinki DNA. Ułatwia to prawidłowe zgromadzenie trudnych powtarzających się lub złożonych regionów genomowych. Następnie przestrzenna organizacja genomu badano w drugim osobniku P. letorale, ujawniając, które elementy DNA leżą blisko siebie w jądrze komórkowym. Wykorzystując informacje o odległości, można ustalić prawidłową kolejność zsekwencjonowanych odcinków DNA. Ta kombinacja źródeł danych doprowadziła do złożenia 57 pseudochromosomów, reprezentujących prawie cały genom Spider Sea Spider w niespotykanej rozdzielczości. Zostało to dodatkowo uzupełnione nowatorskimi zestawami danych aktywności genów w różnych etapach rozwojowych P. Litorale. „Genomy wielu niekanonicznych organizmów laboratoryjnych są trudne do zgromadzenia, a Pycnogonum nie jest wyjątkiem. Tylko kombinacja współczesnych wysokich źródeł danych umożliwiła wysokiej jakości genom”, mówi pierwszy autor badania Nikolaos Papadopoulos z Departamentu Biologii Ewolucyjnej na uniwersytecie w wienina. „Może to teraz służyć jako odskoczni do dalszych badań”.
Utracone geny, widoczne efekty
Zespół badawczy zwrócił szczególną uwagę na tak zwaną klaster Hox – rodzinę genów, która jest ewolucyjnie zachowana w całym królestwie zwierząt. „W stawonogach geny HOX odgrywają centralną rolę we właściwej specyfikacji różnych segmentów ciała; ale także w wielu innych grupach zwierzęcych są niezbędnymi„ kontrolerami głównymi ”podczas rozwoju planu ciała”, wyjaśnia Andreas Wanninger, jeden z projektu prowadzi na Departamencie Biologii Ewolucyjnej na Uniwersytecie w Wiedniu. Ekscytujący sekret Pycnogonum Litorale: część klastra Hox brakuje całkowicie w genomie, a mianowicie brzucha-A (ABD-A), genu zwykle zaangażowanego w specyfikację i rozwój tylnej części ciała. Jego nieobecność może być powiązana z skrajnym zmniejszeniem brzucha Pycnogonid. Podobne warunki zaobserwowano w innych stawonogach ze zmniejszonymi tylnymi, takimi jak niektóre roztocza i barnacy. Zatem pająki morskie oferują kolejny przykład dobrze udokumentowanego związku ewolucyjnego między utratą genu Hox a redukcją części ciała.
Genom oferuje również wgląd w szersze wzorce ewolucyjne. W przeciwieństwie do pająków i skorpionów, których genomy wykazują wyraźne oznaki starożytnych duplikacji pełnego genomu, nie można znaleźć takich śladów w genomie P. letorale. Ponieważ pycnogonidy są uważane za siostrzany takson dla wszystkich chelicerów, sugeruje to, że genom przodka Chelicerate nie miał jeszcze tych duplikacji; Raczej musiały się zdarzyć znacznie później w ewolucji, w przypadku niektórych podgrup chelicerate.
Nowy genom referencyjny
Ten nowo złożony wysokiej jakości genom toruje drogę do dalszych badań porównawczych. P. Litorale staje się zatem nowym cennym gatunkiem referencyjnym w odniesieniu do pytań dotyczących wzajemnych powiązań między chelicerynami i ewolucją ich planów ciała, a także mechanizmami genetycznymi leżącymi u podstaw różnorodności stawonogów. „Z ewolucyjnej perspektywy rozwojowej pająki morskie są bardzo interesujące: ich sposób rozwoju może być przodkiem dla stawonogów, ale jednocześnie mają one wiele innowacji w planie ciała unikalnych dla siebie. Poza tym mają również niezwykłe zdolności regeneracyjne”, wyjaśnia ostatni autor Georg Brenneis z Departamentu Biologii Ewolucyjnej na uniwersytecie Vienna. Dodaje: „Teraz, gdy mamy genom i kompleksowe zestawy danych dotyczących aktywności genów podczas rozwoju, możemy systematycznie badać wszystkie te aspekty na poziomie molekularnym”.
Naukowcy wykorzystają nowatorski genom referencyjny do dalszych badań nad regulacją genów, rozwoju i regeneracji u chelicerów, mającym na celu lepsze zrozumienie procesów leżących u podstaw ewolucyjnego sukcesu tej grupy.