6 Minute
Studiu nou leagă ADN reglator din cloacă de formarea degetelor
Studii comparative de genom și experimente funcționale recente indică faptul că ADN-ul reglator care controlează dezvoltarea degetelor de la mâini și picioare la oameni are rădăcini evolutive adânci într-o structură întâlnită la pești: cloaca. O echipă de cercetători din SUA și Elveția raportează că peisajul reglator adiacent genelor Hoxd — comutatoarele ADN care contribuie la modelarea membrelor — a funcționat inițial în regiunea cloacală a peștilor acum aproximativ 380 de milioane de ani și a fost ulterior reutilizat în timpul apariției degetelor la tetrapode.
Context științific: genele Hoxd și peisajele reglatoare
Genele Hoxd fac parte din familia de gene Hox, un set de regulatorii de dezvoltare care determină planul corporal și identitatea apendicelor la animale. La tetrapode, genele Hoxd contribuie la controlul numărului și morfologiei degetelor, însă modul în care structurile aripioarelor din pești ancestrali au devenit degete distincte a fost subiect de dezbatere. În loc să fi apărut din gene complet noi, studiul sugerează că evoluția a reutilizat elemente reglatoare preexistente — enhanceri și alt ADN necodant — care erau inițial active în cloacă, un orificiu terminal multifuncțional folosit pentru excreție și reproducere la mulți vertebrați.
Experimente principale și concluzii
O analiză comparativă a genomurilor de șoarece și zebrafish a arătat că, deși zebrafish nu au unele gene Hoxd prezente la tetrapode, ei păstrează un peisaj reglator mai larg în jurul locusurilor Hox rămase. Pentru a determina activitatea și funcția acestor elemente, cercetătorii au folosit etichetare fluorescentă în embrioni: când secvențele reglatoare candidate au fost legate de markeri fluorescenti, embrionii de șoarece au prezentat activare în degete în formare, în timp ce la zebrafish activarea a apărut în regiunea cloacală.
Un embrion de zebrafish cu zona cloacală luminată de activitatea Hox.
Teste funcționale au folosit CRISPR–Cas9 pentru a elimina regiunea reglatoare conservată. La șoarecii la care acea regiune a fost ștearsă, degetele nu s-au format corespunzător, producând defecte clare de dezvoltare a membrelor. La zebrafish, deleția a perturbat dezvoltarea cloacalei fără a modifica formarea aripioarelor. Modelul — activitate reglatoare în structuri terminale și efecte fenotipice paralele când sunt eliminate — susține ipoteza că rolul ancestral al peisajului reglator era legat de cloacă și că acesta a fost ulterior redistribuit pentru a modela structurile distale ale membrelor la tetrapode.
Implicații pentru biologia evolutivă a dezvoltării
Aceste rezultate ilustrează un mecanism evolutiv comun: exaptarea, prin care module genetice existente sunt reutilizate pentru funcții noi. După cum a observat geneticianul de dezvoltare Denis Duboule de la Universitatea din Geneva, "Faptul că aceste gene sunt implicate este un exemplu izbitor al modului în care evoluția inovează, reciclând vechiul pentru a crea noul." Geneticiană Aurélie Hintermann a adăugat că cloaca și degetele împărtășesc o asemănare conceptuală ca structuri terminale — capete de tuburi sau membre — ceea ce ar fi putut facilita reutilizarea reglatoare.
Dincolo de clarificarea unei întrebări de lungă durată despre originea degetelor, lucrările evidențiază modul în care ADN-ul reglator necodant poate conduce tranziții morfologice majore. De asemenea, sugerează noi direcții pentru studiul malformațiilor congenitale ale membrelor: mutațiile din enhanceri, mai degrabă decât din gene codante, ar putea sta la baza unor tulburări de dezvoltare.
Metode și tehnologii asociate
Studiul a combinat genomica comparativă, testele cu enhancer-reporter, imagistica fluorescentă in vivo și delețiile țintite prin CRISPR. Aceste tehnici sunt esențiale în cercetarea modernă evo-devo: comparațiile genomice identifică elemente necodante conservate, construcțiile reporter dezvăluie activitatea spațio-temporală, iar editarea genomică testează funcția direct în embrioni în dezvoltare. Progresele continue în transcriptomica unicelulară și în studiile de conformație a cromatinei vor permite o cartografiere mai fină a interacțiunilor reglatoare atât în embrionii de pește, cât și în cei de tetrapode.
Perspectiva unui expert
Dr. Lena Morales, biolog evoluționist de dezvoltare la Salk Institute (ficțional), a comentat: "Această lucrare demonstrează elegant că inovația în evoluție derivă adesea din reconfigurarea reglatoare, mai degrabă decât din inventarea unor proteine noi. Experimentele de deleție funcțională sunt deosebit de convingătoare, deoarece arată consecințe de dezvoltare paralele în două modele vertebrate foarte diferite. Cercetări comparative viitoare, incluzând mai mulți pești și linii timpurii de tetrapode, vor fi valoroase pentru a urmări momentul și succesiunea acestor schimbări reglatoare."
Direcții viitoare
Cercetătorii vor testa în continuare activitatea reglatoare într-un set mai larg de specii și stadii de dezvoltare pentru a reconstrui traiectoria evolutivă cu mai mare precizie. Integrarea datelor paleontologice, a modelelor de rețele de reglare genică și a testelor funcționale va ajuta la determinarea când și cum a avut loc tranziția de la reglarea cloacală la cea a părților distale ale membrelor. Astfel de abordări multidisciplinare vor rafina înțelegerea modului în care structuri complexe, precum degetele, au rezultat din truse genetice străvechi.
Concluzie
Acest studiu oferă dovezi convingătoare că peisajul reglator ADN care acum direcționează formarea degetelor a fost inițial activ în cloaca peștilor. Demonstrând atât activitatea enhancerilor, cât și necesitatea lor peste specii, cercetarea subliniază reutilizarea reglatoare ca motor al inovației morfologice. Rezultatele aprofundează înțelegerea evoluției membrelor și evidențiază importanța funcțională a ADN-ului necodant în modelarea tranzițiilor evolutive majore.
Sursa: sciencealert
Comentarii