Най-ранните животни на Земята

Много от днешните морски безгръбначни, включително гъби и медузи, имат хромозоми с една и съща древна структура, която са наследили от примитивните си предци преди повече от 600 милиона години според ново проучване.

Изненадващото откритие е напомняне, че еволюцията е консервативна – тя поддържа нещата, които работят добре, като организацията на гените в хромозомата – и осигурява връзката между живите същества днес, включително хората, и нашите много далечни предци.

„Откритието подчертава, че дори в нещо толкова фундаментално като техните хромозоми, различните животни си приличат“, разказва водещият автор на изследването Даниел Роксар (Daniel Rokhsar), ръководител на катедрата по молекулярна и клетъчна биология в Калифорнийския университет, Бъркли. „Това е една от причините, поради които можем да научим толкова много за човешката биология от изучаването на плодови мухи, червеи нематоди, медузи и други „прости“ моделни системи – това се дължи на основното единство на всички животни. Това, което научаваме за разнообразието на животните, влияе върху начина, по който мислим за себе си."

Резултатите са публикувани в списанието Science Advances.

Новият анализ прогнозира, че първите многоклетъчни животни са носили своите гени в 29 двойки древни хромозомни единици. Тъй като първите животни са се появили в океаните и еволюирали в различни безгръбначни, от гъби до червеи и хора, много от тези хромозоми са останали непокътнати в продължение на половин милиард години.

За сравнение, хората сега имат 23 двойки хромозоми, общо 46, резултат от две дублирания и множество сливания и хромозомни пренареждания от най-ранните животни.

Изследването, ръководено от Роксар и Олег Симаков от Виенския университет в Австрия, е първото, което сравнява хромозомната позиция на гените от различни животни, като гъби, медузи, морски миди и други водни безгръбначни, позволявайки на организацията на предците да бъде изведени и редки промени в организацията на хромозомите, които трябва да бъдат изследвани. Въпреки че този вид анализ е направен за плодови мухи и много гръбначни животни, включително хората, едва наскоро бяха определени геномите в хромозомен мащаб на различни безгръбначни животни.

Еволюцията е консервативна

Поради все по-усъвършенстваните техники за идентифициране кои гени са близо един до друг, когато хромозомата е навита вътре в ядрото, учените през последните няколко години започнаха да разгадават гените в хромозомите при няколко безгръбначни: ланцетникът, Branchiostoma floridae, морско същество, подобно на перо, известно още като амфиокс; мидата, Patinopecten yessoensis; сладководна гъба, Ephydatia muelleri; и огнената медуза, Rhopilema esculentum, безгръбначно от типа мешести (Cnidaria). Роксар, Симаков и техният екип разширяват този набор, определяйки хромозомните последователности на пето животно от мешестите, хидрата Hydra vulgaris.

„Това, което откриваме, е забележително: ако сравните тези пет вида един с друг, ще откриете, че са много консервативни - в много случаи цели хромозоми или големи парчета хромозоми са останали заедно. Цяла хромозома в морска гъба може да съответства на хромозома в медуза", разказва Симаков. „Те не са организирани по абсолютно същия начин – гените са в различен ред при различните видове – но в тези дългосрочни мащаби една хромозома се държи като торба с гени, която е запазила своята цялост от началото на живота в предкамбрийската епоха."

След като откриват в тяхния набор от безгръбначни, че гените са склонни да остават заедно в една и съща хромозома - нещо, наречено "синтения" (synteny), от гръцки за "на една и съща нишка" - изследователите прогнозират, че същото ще важи и за другите безгръбначни, включително морски таралежи и различни видове червеи и мекотели. Когато разглеждат хромозомите на тези организми, те откриват подобно запазване на ДНК в хромозомите. Всички сякаш се връщат към същите 29 хромозомни двойки, които присъстват в ранните предци на животните.

Какво означава това за хората и другите гръбначни животни?

"Ако сравните ланцетника с мидите и след това с представители на много различни гръбначни животни - различни видове риби като миноги, птици и така нататък - може да видите, че има 18 различни групи гени, които изглежда винаги остават заедно", коментира Роксар. „Те винаги са заедно на един и същ участък на ДНК и така най-простото тълкуване е, че протогръбначният прародител е имал 18 наследствени хромозоми".

Роксар и неговият екип отдавна подозират, че хромозомите са по-консервативни, отколкото се смята. През последните 20 години той и неговата група са секвенирали и анализирали геномите на различни животни, включително

Роксар и неговият екип отдавна подозират, че хромозомите са по-запазени, отколкото хората смятат. През последните 20 години той и неговата група са секвенирали и анализирали геномите на различни животни, включително асцидия, плакозоа (пластинчати), вид ланцетник и различни видове морски гъби, хоанофлагелата, морска анемона, октопод, чревнодишащи (Enteropneusta), пиявица, патела (Limpet) и полихета. Докато ранните „чернови“ - геноми често са били фрагментирани, те въпреки това показват признаци, че съществуват древно запазени групи от гени, свързани заедно при различни животни. По-новите технологии, които позволяват да се определят цели хромозоми, потвърждават тези ранни хипотези.

Фактът, че гените на различни безгръбначни се групират толкова точно, въпреки стотиците милиони години независима еволюция, може би показва, че гените прескачат между хромозомите много по-трудно, отколкото учените предполагат от изследванията си на гръбначни животни, където гените са пренаредени по-често, вероятно поради генетичен дрейф.

„Животни като ланцетникът живеят в огромни популации, където редките мутанти с пренаредени хромозоми са в неизгодно положение и обикновено умират, докато в малките, разделени популации, което е по-типично за бозайниците, пренарежданията е по-вероятно да оцелеят и да се разпространят. Това е една хипотеза“, коментира Роксар.

Гръбначните животни ги смесват

Като алтернатива може да има някаква неизвестна причина, поради която наборите от гени трябва да останат заедно. Един известен пример са хомеотичните гени, които определят кой край на животинския ембрион образува главата и кой опашката, и всички градации между тях. Всички тези гени са групирани в една хромозома при повечето безгръбначни и това групиране е важно за тяхното разгръщане по време на развитието. Функционалното групиране на тези гени обаче може да е изключение и все още няма доказателства, че клъстерите, открити в скорошното проучване, са функционално свързани, отбелязва Роксар.

Простото запазване на хромозомите спира при безгръбначните, тъй като в началото на еволюцията на гръбначните, целият геном се дублира два пъти в линията, водеща до челюстни гръбначни животни, група, която включва бозайници, птици, влечуги, земноводни и повечето риби. По време на тези мащабни дублирания, серия от хромозомни реорганизации изковават геномите на най-ранните челюстни гръбначни животни, които в крайна сметка са довели до хората.

Като проследяват групи от гени, преместващи се от една хромозома в друга, докато най-ранните гръбначни животни се развиват обаче Роксар и сътрудниците му успяват да прескочат разделението гръбначни-безгръбначни и да свържат най-ранните животински хромозоми с тези на съвременните гръбначни животни.

„Едно от страхотните неща е, че след като изведем тези древни протохромозоми и ги организираме в дървото на живота, тогава можем да правим прогнози. Ако секвенирате някои други геноми, ние прогнозираме, че неизбежно ще откриете, че тези гени са смесени заедно в една и съща хромозома“, казва Роксар. „За разлика от физиката или химията, обикновено не може да се правят подобни прогнози в биологията. Но сега знаем нещо, в известен смисъл, за почти всички животински геноми от това сравнение."

“Deeply conserved synteny and the evolution of metazoan chromosomes” by Oleg Simakov, Jessen Bredeson, Kodiak Berkoff, Ferdinand Marletaz, Therese Mitros, Darrin T. Schultz, Brendan L. O’Connell, Paul Dear, Daniel E. Martinez, Robert E. Steele, Richard E. Green, Charles N. David and Daniel S. Rokhsar, 2 February 2022, Science Advances.
DOI: 10.1126/sciadv.abi5884

Evolution Is Conservative: Reconstructing the Chromosomes of the Earliest Animals on Earth, UC Berkeley