Uczenie się od „żywej skamieniałości”

Uczenie się od „żywej skamieniałości”

Kiedy żyjemy i oddychamy, starożytnie wyglądające ryby znane jako Bowfin strzegą genetycznych sekretów, które mogą pomóc rozwikłać historię ewolucyjną ludzkości i lepiej zrozumieć jej zdrowie. Badacze ze stanu Michigan, Ingo Braasch i Andrew Thompson, rozszyfrowują teraz niektóre z tych tajemnic. Kierując projektem, który obejmował ponad dwa tuziny naukowców z trzech kontynentów, Spartanie zebrali jak dotąd najbardziej kompletny obraz genomu płetwy łucznej. „Po raz pierwszy mamy tak zwany zespół genomu na poziomie chromosomu dla płetwy łukowatej” – powiedział Braasch, adiunkt biologii integracyjnej w College of Natural Science. „Jeśli myślisz o genomie jak o książce, to, co mieliśmy w przeszłości, było jak wyrwanie wszystkich stron na kawałki. Teraz umieściliśmy je z powrotem w książce”. „I w porządku”, dodał Thompson, badacz z tytułem doktora w laboratorium Braasch i pierwszy autor nowego raportu z badań, opublikowanego 30 sierpnia w czasopiśmie Nature Genetics. To naprawdę ważna informacja z kilku powodów, powiedział duet, a zaczyna się od tego, co Karol Darwin nazwał „żywą skamieliną”. Bowfin lub koleń wygląda jak starożytna ryba. Nie oznacza to, że płetwa łukowa nie ewoluowała od czasów starożytnych, ale ewoluowała wolniej niż większość ryb. Oznacza to, że płetwa łukowata ma więcej wspólnego z ostatnim przodkiem ryb i ludzi, setki milionów lat temu, niż, powiedzmy, dzisiejszy danio pręgowany. Danio pręgowane – które są nowoczesnymi, tak zwanymi rybami doskonałokostnymi – są godnym uwagi przykładem, ponieważ są powszechnie wykorzystywane przez naukowców jako model do testowania i opracowywania teorii na temat ludzkiego zdrowia. Posiadanie większej ilości informacji genetycznych o płetwie łukowej pomaga uczynić z danio pręgowanego lepszy model. „Wiele badań dotyczących ludzkiego zdrowia i chorób odbywa się na organizmach modelowych, takich jak myszy i danio pręgowany” – powiedział Thompson. „Ale kiedy zidentyfikujesz ważne geny i elementy, które regulują te geny u danio pręgowanego, może być trudno znaleźć ich odpowiedniki u ludzi. Łatwiej jest przejść od danio pręgowanego przez płetwala do człowieka”. Na przykład jednym szczególnie interesującym genem jest ten, który jest wykorzystywany do rozwoju pęcherza gazowego u płetw łukowatych, organu, którego ryby używają do oddychania i przechowywania powietrza. Naukowcy uważają, że ostatni wspólny przodek ryb i ludzi miał narządy wypełnione powietrzem, takie jak te, które były ewolucyjnymi poprzednikami ludzkich płuc. W swoim nowym badaniu spartańscy naukowcy mogli zobaczyć, że pewien proces genetyczny w rozwoju pęcherza gazowego u płetw łukowatych ma uderzające podobieństwo do tego, co wiadomo o rozwoju ludzkich płuc. Podobny proces występuje również u współczesnych ryb doskonałokostnych, ale został on przesłonięty przez eony ewolucji. „Kiedy szukałeś ludzkich elementów genetycznych rozwoju tego organu u danio pręgowanego, nie mogłeś go znaleźć, ponieważ doskonałokostne mają wyższe tempo ewolucji” – powiedział Thompson. „Jest tam w nowoczesnych rybach, ale jest ukryty przed wzrokiem, dopóki nie zobaczysz go w dziobie i gar”. Gar to kolejna ryba oddychająca powietrzem o statusie „żywej skamieliny”, którą badał Braasch i jego zespół. Dzięki genomom gar i bowfin zespół był w stanie wykazać, gdzie te elementy genetyczne powiązane z pęcherzem gazowym i tworzeniem się płuc ukrywają się u współczesnych ryb doskonałokostnych. Starożytne ryby umożliwiają naukowcom zbudowanie lepszego pomostu między uznanymi współczesnymi organizmami modelowymi ryb a biologią człowieka. „Nie chcesz opierać tego mostu na jednym gatunku” – powiedział Braasch, który dodał, że to odkrycie wzmacnia również implikacje dla historii ewolucyjnej. „To kolejny element układanki, który sugeruje, że wspólny przodek ryb i ludzi miał narząd wypełniony powietrzem i używał go do oddychania przy powierzchni wody, całkiem podobnie do tego, co widać w dziobie i gar”. Chociaż te odkrycia mają spostrzeżenia, które są istotne dla całej ludzkości, Spartanie mogą odczuwać szczególne powinowactwo do płetwy łucznej. Na początek samce ryb zmieniają płetwy i gardła na jasny odcień zieleni w okresie tarła. Również słynny biolog William Ballard z Dartmouth College badał rozwój dziobówki od jaj do larw ryb w Stacji Biologicznej WK Kellogg w stanie Michigan w latach 80. XX wieku. To właśnie nazwał swoją „Odyseją Dziwnych Ryb”, a zespół Braascha wykorzystuje teraz jego pracę do prowadzenia analiz genomicznych rozwoju płetw łukowatych. Bowfins pochodzą z Michigan. Według Thompsona mogą być teraz w Red Cedar River na terenie kampusu MSU, ale mogą być też dość nieuchwytni i czasami bardzo agresywni. To sprawiło, że współpraca stała się niezbędna do zabezpieczenia okazów. Wraz z kolegami z Nicholls State University w Luizjanie zespół schwytał płetwy łukowe do sekwencjonowania genomu. Amy McCune, współpracowniczka i profesor na Cornell University, wiedziała, gdzie znaleźć jaja łucznika w północnej części stanu Nowy Jork i miała doktoranta uzdolnionego do zabezpieczania tych unikalnych próbek do badania rozwoju łucznika. Spartanie mieli również kontakty na innych uniwersytetach i instytucjach z ekspertami w dziedzinie biologii łukowatej, ewolucji chromosomów i nie tylko. Podsumowując, zespół obejmował naukowców z sześciu stanów, a także Francji, Japonii i Szwajcarii. Po powrocie do East Lansing, doktoranci Mauricio Losilla i Olivia Fitch, technolog badań Brett Racicot i Kevin Childs, dyrektor ośrodka MSU Genomics Core, również przyczynili się do badania, które na końcu jest interesujące. Prawie wszystkie kręgowce, które hodują sparowane kończyny lub płetwy, mają wspólny gen. „Ludzie go używają, myszy go używają. Wszystkie ryby, które do tej pory zbadano, używają go” – powiedział Braasch. – Naiwnym oczekiwaniem byłoby to, że Bowfin też to zrobi. Ale nie to odkrył zespół. Bowfin, „żywa skamielina”, wyewoluował inny sposób hodowania swoich sparowanych płetw. „Z jakiegoś powodu zmienił swoje zaprogramowanie genetyczne. Nawet „żywe skamieliny” wciąż ewoluują. Nie są zamrożone w czasie” – powiedział Braasch. „To rodzaj przestrogi, że nie powinniśmy brać tych rzeczy za pewnik. Aby nakreślić pełny obraz, trzeba przyglądać się cecha po cesze, gen po genach i wielu różnych gatunkach”.

science