Il genoma della piccola razza e l'emergere evolutivo dell'ala

Natura volume 616, pagine 495–503 (2023) Citare questo articolo

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Le razze sono pesci cartilaginei la cui pianta corporea presenta pinne pettorali allargate simili ad ali, che consentono loro di prosperare in ambienti bentonici1,2. Tuttavia, le basi molecolari di questa caratteristica unica rimangono poco chiare. Qui indaghiamo l'origine di questa innovazione fenotipica sviluppando la piccola razza Leucoraja erinacea come modello genomicamente abilitato. L'analisi di una sequenza genomica su scala cromosomica di alta qualità per la piccola razza mostra che conserva molte caratteristiche ancestrali dei vertebrati con la mascella rispetto ad altri genomi sequenziati, inclusi numerosi microcromosomi antichi. Combinando i confronti del genoma con estesi set di dati normativi nello sviluppo delle pinne, tra cui espressione genetica, occupazione della cromatina e conformazione tridimensionale, troviamo riarrangiamenti genomici specifici della razza che alterano il panorama normativo tridimensionale dei geni coinvolti nel percorso della polarità delle cellule planari. L'inibizione funzionale della segnalazione della polarità delle cellule planari ha comportato una riduzione delle dimensioni della pinna anteriore, confermando che questo percorso contribuisce in modo determinante alla morfologia della pinna batoid. Abbiamo anche identificato un potenziatore specifico della pinna che interagisce con diversi geni hoxa, coerente con la ridistribuzione dell'espressione del gene hox nelle pinne pettorali anteriori, e confermato il suo potenziale per attivare la trascrizione nella pinna anteriore utilizzando test reporter di pesce zebra. I nostri risultati sottolineano il ruolo centrale della riorganizzazione del genoma e della variazione normativa nell’evoluzione dei fenotipi, facendo luce sull’origine molecolare di un tratto enigmatico.

L'origine e la diversificazione dei vertebrati è stata accompagnata dalla comparsa di innovazioni chiave nello sviluppo2,3. Tra questi, le appendici accoppiate mostrano una squisita diversità di forme e adattamenti non solo nei tetrapodi, ma anche nei condritti (pesci cartilaginei) in cui le strutture delle pinne sono considerevolmente diverse2. Esempi affascinanti sono le appendici a forma di ala dei pesci batoid (razze e razze) (Fig. 1a), in cui le pinne pettorali si estendono anteriormente e si fondono con la testa. Questa struttura unica crea potenza per la propulsione in avanti e ha portato alla nascita di meccanismi di nuoto che hanno consentito ai pattini di colonizzare il fondale marino1. L'analisi trascrittomica delle pinne in via di sviluppo delle razze ha rivelato un'importante riorganizzazione dei gradienti di segnalazione rispetto ad altri vertebrati1. La ridistribuzione dei fattori di trascrizione dello sviluppo, come i geni 3′ hox, avvia un centro di segnalazione anteriore analogo alla cresta ectodermica apicale posteriore (AER). Questi cambiamenti sono avvenuti circa 286–221 milioni di anni fa (Fig. 1b) dopo la divergenza tra squali e razze. Tuttavia, i cambiamenti genomici e regolatori alla base di questi nuovi domini di espressione sono rimasti sfuggenti.

a, Razza adulta (L. erinacea) e colorazione scheletrica utilizzando Alcian Blue e Alizarin Red. b, Cronogramma che mostra il tempo di ramificazione e divergenza dei lignaggi condroitti e osteitti selezionati (Figura 1 supplementare). c, Differenze morfologiche nello scheletro tra le pinne pettorali dello squalo e della razza che evidenziano l'espansione di una pinna a forma di ala. Le illustrazioni sono state riprodotte da una precedente pubblicazione60. d, Densità di contatto Hi-C a coppie tra 40 cromosomi di razza, che mostra una maggiore interazione intercromosomica tra quelli più piccoli (microcromosomi). La scala di colori mostra i contatti Hi-C intercromosomici osservati/attesi trasformati in log. Macro., macrocromosoma; meso., mesocromosoma; micro., microcromosoma. e, Classificazione dei cromosomi della piccola razza in base alla relazione tra la loro dimensione e la percentuale di GC, evidenziando l'alto contenuto di GC dei microcromosomi.

Molte innovazioni evolutive dei vertebrati sono state influenzate dalle sostanziali riorganizzazioni genomiche causate da due cicli di duplicazione dell'intero genoma (WGD). I cromosomi cordati ancestrali sono stati duplicati e riorganizzati per dare origine alla diversità dei cariotipi esistenti nei vertebrati4. Contemporaneamente, la perdita pervasiva di geni paraloghi dopo i WGD ha prodotto deserti genici arricchiti di elementi regolatori5. In modo convincente, queste alterazioni genomiche sono state accompagnate da marcati cambiamenti nella regolazione genetica, contribuendo ad un aumento della pleiotropia nei geni dello sviluppo5 e alla complessità dei loro paesaggi regolatori6. Nei vertebrati, i paesaggi regolatori sono organizzati spazialmente in domini topologicamente associati (TAD)7,8. I TAD corrispondono a grandi regioni genomiche con maggiore auto-contatto che promuovono l'interazione tra elementi cis-regolatori (CRE) e promotori affini per costituire modelli trascrizionali precisi. Mentre i TAD limitano l'evoluzione dell'ordine genetico9, i riarrangiamenti genomici che alterano questi domini possono essere una fonte di fenotipi di sviluppo10 e di innovazione evolutiva11,12. Tuttavia, l'importanza dell'organizzazione TAD per l'evoluzione della regolazione genetica e l'emergere di tratti specifici del lignaggio dopo i WGD dei vertebrati rimane in gran parte inesplorata.