Маленький геном ската и эволюционное появление крыльев

Nature, том 616, страницы 495–503 (2023 г.) Процитировать эту статью

16 тысяч доступов

1 Цитаты

317 Альтметрика

Подробности о метриках

Коньки — это хрящевые рыбы, чье тело отличается увеличенными крыловидными грудными плавниками, что позволяет им процветать в донной среде1,2. Однако молекулярные основы этой уникальной черты остаются неясными. Здесь мы исследуем происхождение этой фенотипической инновации, разработав маленького ската Leucoraja erinacea в качестве модели с поддержкой генома. Анализ высококачественной последовательности генома маленького ската в масштабе хромосом показывает, что он сохраняет многие наследственные особенности челюстных позвоночных по сравнению с другими секвенированными геномами, включая многочисленные древние микрохромосомы. Объединив сравнения геномов с обширными наборами регуляторных данных в развивающихся плавниках, включая экспрессию генов, заселенность хроматина и трехмерную конформацию, мы обнаруживаем специфичные для скатов геномные перестройки, которые изменяют трехмерный регуляторный ландшафт генов, которые участвуют в пути полярности плоских клеток. Функциональное ингибирование передачи сигналов полярности плоских клеток приводит к уменьшению размера передних плавников, подтверждая, что этот путь вносит основной вклад в морфологию плавников батоидных. Мы также идентифицировали специфичный для плавников энхансер, который взаимодействует с несколькими генами hoxa, что согласуется с перераспределением экспрессии гена hox в передних грудных плавниках, и подтвердили его потенциал активировать транскрипцию в переднем плавнике с помощью репортерных анализов рыбок данио. Наши результаты подчеркивают центральную роль реорганизации генома и регуляторных вариаций в эволюции фенотипов, проливая свет на молекулярное происхождение загадочного признака.

Происхождение и диверсификация позвоночных сопровождались появлением ключевых инноваций в развитии2,3. Среди них парные придатки демонстрируют поразительное разнообразие форм и приспособлений не только у четвероногих, но и у хондрихтиев (хрящевых рыб), у которых плавниковое строение значительно разнообразнее2. Интересными примерами являются крыловидные придатки летучих рыб (скатов и скатов) (рис. 1а), у которых грудные плавники вытянуты вперед и срастаются с головой. Эта уникальная структура создает энергию для движения вперед и привела к появлению механизмов плавания, которые позволили скатам колонизировать морское дно1. Транскриптомный анализ развивающихся плавников скатов выявил значительную реорганизацию градиентов передачи сигналов по сравнению с другими позвоночными1. Перераспределение онтогенетических транскрипционных факторов, таких как 3' hox-гены, инициирует передний сигнальный центр, аналогичный заднему апикальному эктодермальному гребню (AER). Эти изменения возникли ~286–221 млн лет назад (рис. 1б) после дивергенции акул и скатов. Тем не менее, геномные и регуляторные изменения, лежащие в основе этих новых доменов экспрессии, остаются неуловимыми.

а — Взрослый скат (L. erinacea) и окрашивание скелета с использованием альцианового синего и ализарина красного. б, Хронограмма, показывающая время ветвления и расхождения хондрихтиевых и отдельных линий остихтиана (дополнительный рисунок 1). в, Морфологические различия в скелете грудных плавников акулы и ската, подчеркивающие расширение крыловидного плавника. Иллюстрации были воспроизведены из предыдущей публикации60. d, Попарная плотность контактов Hi-C между 40 хромосомами ската, демонстрирующая повышенное межхромосомное взаимодействие между наименьшими из них (микрохромосомами). Цветовая шкала показывает наблюдаемые/ожидаемые межхромосомные контакты Hi-C с логарифмическим преобразованием. Macro., макрохромосома; мезо., мезохромосома; микро., микрохромосома. e, Классификация хромосом скатов Литтла, основанная на взаимосвязи между их размером и процентом GC, подчеркивающая высокое содержание GC в микрохромосомах.

На многие эволюционные инновации позвоночных повлияли существенные геномные реорганизации, вызванные двумя раундами полногеномной дупликации (WGD). Хромосомы предков хордовых были дублированы и перестроены, что привело к появлению разнообразия существующих кариотипов у позвоночных4. Одновременно с этим повсеместная потеря паралогичных генов после WGD приводит к образованию генных пустынь, обогащенных регуляторными элементами5. Примечательно, что эти геномные изменения сопровождались заметными изменениями в регуляции генов, что способствовало увеличению плейотропии генов развития5 и усложнению их регуляторного ландшафта6. У позвоночных регуляторные ландшафты пространственно организованы в топологически ассоциированные домены (TADs)7,8. TAD соответствуют крупным геномным областям с повышенным самоконтактом, которые способствуют взаимодействию между цис-регуляторными элементами (CRE) и родственными промоторами, образуя точные паттерны транскрипции. Хотя TADs ограничивают эволюцию порядка генов9, геномные перестройки, которые изменяют эти домены, могут быть источником фенотипов развития10 и эволюционных инноваций11,12. Тем не менее, важность организации TAD для эволюции регуляции генов и появления клоно-специфичных черт после WGD позвоночных остается в значительной степени неисследованной.

2.5 Mb) scaffolds, with 19 macrochromosomes (>40 Mb), 14 mesochromosomes (between 20 and 40 Mb) and 7 microchromosomes (<20 Mb) that together represent 91.7% of the 2.2 Gb assembly. This chromosome number is within the range reported for other Rajidae species14. Despite technical challenges due to high polymorphism levels (1.6% heterozygosity) and a repeat content dominated by recently expanded LINE retrotransposons (Extended Data Fig. 1), our assembly showed a similar or higher degree of completeness with respect to gene content compared to other sequenced chondrichthyans (BUSCO; Supplementary Table 1)./p> 0.96; Extended Data Fig. 5c), with only 9 and 5 interactions statistically enriched in anterior and posterior fins, respectively (Extended Data Fig. 5d). Promoters with differential looping included hoxa and hoxb genes and the transcription factor alx4 (Extended Data Fig. 5e–g), which are involved in limb development. To confirm those interactions, we performed Hi-C in anterior and posterior pectoral fins, finding only minor variations. Compartment differences were subtle and restricted to less than 10% of the genome (Extended Data Fig. 6a–d). TADs were also extremely similar (Fig. 3d,e and Extended Data Fig. 6e), with insulation score correlations of above 0.98 (Extended Data Fig. 6f). Similarly, high correlations were observed for chromatin loops (Extended Data Fig. 6g) and differential analysis revealed a single significantly stronger loop in the posterior pectoral fin (Extended Data Fig. 6h,i). Notably, the differential contacts predicted by HiChIP were not noticeable (Fig. 3d,e and Extended Data Fig. 6j). The differences in HiChIP data are therefore probably derived from variations in H3K4me3 occupancy, consistent with the selective activation of the hoxa cluster in anterior fins. Overall, both analyses indicate that 3D chromatin folding is largely maintained in the different pectoral fin territories./p>