Erken omurgalı evrimi sırasında tüm genom kopyalarının gizemini araştırmak: hagfish masalını çözmek

Botanik dünyasının ötesinde, WGD aynı zamanda omurgalıların evrimi alanında da güncel bir konudur. Çok sayıda çalışma, WGD’ler ile erken omurgalıların morfolojik evrimi arasında bir bağlantı olduğunu öne sürdü. Bunun klasik bir örneği, omurgasızlarda tek bir Hox gen kümesinden çoğu omurgalıda dört Hox gen kümesine (ek bir WGD nedeniyle çubuk teleost balıkları) geçiştir.

Omurgalılarda, domuz balığı yalnızca büyüleyici bir yaratık olarak değil, aynı zamanda filogenetik ağaçtaki yeri göz önüne alındığında çok önemli bir yaratık olarak da öne çıkıyor. Hagfish ve taşemen, çenesi olmayan omurgalılar (agnathans) soyunun hayatta kalan tek temsilcileridir ve birlikte, siklostomlar (yuvarlak ağız) adı verilen grubu oluştururlar; bu grup, daha da önemlisi, diğer omurgalılarla (çeneli omurgalılar olarak bilinir) ortaktır. tüm modern omurgalıların (biz insanlar dahil) son ortak atası. Bununla birlikte, azınlık bir grup, hagfish’i taşemenlerin ve çeneli omurgalıların oluşturduğu bir gruptan hariç tutan geleneksel bakış açısına bağlı kalmakta ısrar ediyor. İlginç bir şekilde, hem hagfish hem de lamprey altı Hox kümesine sahiptir. Ancak WGD’lerin bu süreçteki rolü hâlâ gizemini koruyordu. Dahası, omurgalıların erken evrimi boyunca WGD olaylarının evrimsel tarihi çok ilginç ama henüz çözülmemiş bir soruydu.

Omurgalı WGD’lerin gizemini çözmek ve evrimsel etkilerine ışık tutmak için dikkatimizi hagfish’e çevirmeliyiz. Bu makalenin iki yazarı Dr. Juan Pascual-Anaya ve Wen Wang’ın 2016’nın sonlarına doğru yerleştiği tasavvur buydu. Juan, doğadan paha biçilmez testis ve embriyo örnekleri toplarken, Wen’in doktora derecesi vardı. öğrenci Yandong Ren, domuz balığı genomunun özellikleri nedeniyle (Kohno ve diğerleri, 1998) domuz balığı genomunu birleştirme gibi zorlu bir görevi üstlendi. Dr. Fergal J. Martin’in öncülüğünü yaptığı Ensembl’in Omurgalı Açıklama Ekibi ile işbirliği yapılarak domuz balığı genomumuza titizlikle açıklamalar eklendi. Daha sonra Dr. Yong E. Zhang ve ben, Ph.D. öğrencisi laboratuvarında WGD evriminin analizlerini gerçekleştirdi.

2018’in sıcak bir yaz gününe hızla ilerlerken Juan, Wen’in laboratuvarını ziyaret etmek için Japonya’dan Xi’an, Çin’e uçtu ve burada proje hakkında kapsamlı bir tartışmaya başladık. O zamana kadar Yandong, domuz balığı için yapı iskelesi seviyesinde bir genom derlemesi gerçekleştirmişti ve ben de bir yıl boyunca, kesin bir ilerleme kaydedemeden antik WGD’lerin gizemiyle boğuşmuştum. Şu anda omurgalıların yakından ilişkili dış grup türleri olan taşemen veya amphioxus gibi önemli türler için kromozom düzeyinde düzeneklerin bulunmaması, bu erken WGD olaylarının şifresinin çözülmesinde büyük bir engel teşkil ediyordu. Son olarak, bu toplantı proje için önemli bir karara yol açtı: domuz balığı düzeneğini kromozom düzeyinde bir çözünürlüğe yükseltmek için Hi-C verilerinin elde edilmesi. Bu dönemde derisi dikenli genomların potansiyel faydası dikkatimi çekti. Daha sonra, deniz hıyarının karyotipinin amphioxus’un karyotipini yakından yansıtması ve onu değerli bir omurgalı dış grubu haline getirmesi nedeniyle bunun faydalı olduğu kanıtlandı.

Şekil 1. Siklostom kromozomları üzerindeki Hox genlerinin varlığının çok ön araştırması, ikincisinde örtüşen oran ölçümlerinin geliştirilmesine yol açmıştır. “XP_” ön ekine sahip gen kimlikleri, bilinen tavuk Hox genlerine dayanarak tanımlanan neşter Hox genleridir.

Daha sonra istikrarlı bir ilerleme kaydedildi. Korunmuş sentezden (kromozomlardaki gen sıraları) yararlanarak, gnatostom kromozomlarını (tavuk ve benekli garnitürle temsil edilir) deniz hıyarı kromozomlarıyla hizaladım ve 17 omurgalı ata kromozomunun (AC’ler) çıkarımına izin verdim. Belcher’in neşterindeki genler daha sonra bu AC’lere bağlanarak 17 kromozom düzeyinde filogenetik ağacı yeniden yapılandırmamıza ve gnatostome 2R’nin ayrıntılarını çözmemize olanak sağladı. Kontrol olarak bu ağaçlardaki gnatostom ohnologları (WGD tarafından üretilen ve merhum Susumu Ohno’nun anısına bu şekilde adlandırılan kopya genler) ile, siklostomların yalnızca gnatostome WGD’nin ilk turunu paylaştığı sonucuna vardık. Bu çıkarım, siklostomlarda gnatostom öncesi 2R kromozomal füzyonlarının bulunmaması ile güçlendirilmiştir.

Peki siklostomların WGD geçmişine ne dersiniz? Hagfish’teki kapsamlı genom karışımı, sentezi bozdu ve alternatif bir stratejinin geliştirilmesini gerektirdi. Ancak bu zorluğun üstesinden gelemeden, COVID-19 salgınının başlangıcı gerçekleşti. Memleketimdeyken işime uzaktan devam ettim. Mayıs 2020’de, kısmen merakımdan, kısmen de anlaşılması zor nedenlerden dolayı, Belcher’in neşter Hox genini referans olarak kullanarak siklostom kromozomları üzerinde Hox genlerinin varlığını araştırdım. Biyoenformatik geçmişimden yararlanarak, varlığı renklerle, yokluğu ise boşluklarla temsil eden gen düzenlemelerini R dilinde görselleştirmeyi seçtim. Ön planı inceledikten sonra, homolog kromozomların başlangıçta tahmin edilenden daha yüksek oranda paylaşılan gen tutma özelliği sergilemesi gerektiğini fark etmeye başladım. Dış grup genlerinin varlığı/yokluğu bilgisini ikili koda (1/0) dönüştürerek, kromozomlar arası benzerlik indeksi veya örtüşen oran ölçüsü geliştirdim. Bu yeni ölçümü uygulayarak gnatostomlarda iki tur WGD’yi doğruladım. Daha sonra, siklostom atasında bir genom üçlemesi çıkarımı yaparak bu analizi hagfish ve taşafağını da kapsayacak şekilde genişlettim ve böylece Aoife McLysaght ve ekibinin Byrappa Venkatesh ile birlikte yaptığı önceki bulguları destekledim (Nakatani ve diğerleri, 2021). Sonuç olarak, omurgalıların ortak atasında tek bir WGD turu ortaya çıkar ve bunu hem gnatostomlarda hem de siklostomlarda soya özgü WGD olayları takip eder.

Şekil 2. Juan, ekranın önündeki hagfish embriyosunun görüntüsüne bakıyordu.

Japonya’nın RIKEN kentinden Dr. Masahiro Uesaka, sadece Prof. Shigeru Kuratani’nin laboratuvarının düzenli olarak elde edebildiği çok değerli bir materyal olan hagfish embriyolarından ATAC-seq verilerini hazırladı (daha fazla ayrıntı için Juan’ın bir bloguna bakın). Uesaka-san, Yong’un laboratuvarından yüksek lisans öğrencisi Jieyu Shen ile birlikte bu verileri araştırmak için kullandı. cis-ohnologlara özel olarak odaklanılarak bu türün düzenleyici evrimi. Genomik ölçekte, hagfish’in gelişim sırasında gnatostomlarda bulunanlara benzer karmaşık ve karmaşık düzenleyici ağlara sahip olduğunu bulduk (Marlétaz ve diğerleri, 2018). Ohnologları incelerken, hagfish ohnologları yalnızca düzenleyici evrim modellerinde değil, aynı zamanda gelişimsel işlevlerle olan ilişkilerinde de gnatostomlarınkini yansıtıyordu. Bu bulgular, mikro düzeyde, farklı WGD geçmişlerinin hem gnatostomlarda hem de siklostomlarda karşılaştırılabilir düzeyde düzenleyici yeniliğe yol açtığını ileri sürdü. Bununla birlikte, makro düzeyde, gnatostomlar, Bristol Üniversitesi’nden Prof. Phil Donoghue ekibi tarafından yürütülen analizlerin gösterdiği gibi, muhtemelen gnatostoma özgü WGD’ye atfedilen daha çeşitli bir morfolojik spektrumla karakterize edilir. Bu nedenle, WGD’ler omurgalılarda her zaman radikal morfolojik evrimle sonuçlanmaz.

Toplu olarak, ortak çabalarımız, antik omurgalı TGD’lerinin ve bunların işlevsel sonuçlarının panoramasını tasvir etti.

Bir yanıt yazın

E-posta adresiniz yayınlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir