Baş oluşumundan sorumlu genlerin kopyalanması, omurgalıların evrimsel başarısını önceden belirledi

Omurgalı evrimi sırasında genom duplikasyonunun birkaç kez gerçekleştiği uzun zamandır bilinmektedir. Bu, özellikle modern omurgalıların genomlarında çok sayıda paralogun (atalardan kalma bir genin duplikasyonundan ortaya çıkan ve sonrasında bağımsız olarak evrimleşen duplikasyon genleri) varlığıyla kanıtlanmıştır. Tüm omurgalılar en az iki tur duplikasyon geçirmiştir ve kemikli balıklar bir tur daha yaşamıştır. Çeşitli evrimsel gruplardaki duplikasyon sayısı hakkındaki bilgimize rağmen, bu duplikasyonların kronolojisi ve ortaya çıkan paralogların işlevleri, özellikle bazı omurgalı grupları için nispeten sınırlı miktarda genomik veri olması nedeniyle, büyük ölçüde keşfedilmemiş durumdadır. Rus bilim insanları, ön beynin oluşumundan sorumlu olan ve omurgalıların genel vücut planını belirlediği anlaşılan Noggin ve Foxg1 gen ailelerini analiz ettikleri geniş çaplı çalışmalarında bu gen ailelerine odaklandılar.

Tüm genom duplikasyonu , tüm kromozomların (ve içerdikleri tüm genetik materyalin) bir hücrede iki katına çıkarıldığı bir süreçtir. At nalı yengeçleri, omurgalılar ve hatta tek hücreli maya dahil olmak üzere çok çeşitli organizmalarda tekrar tekrar meydana gelmiştir. Tüm genom duplikasyonu, büyük olasılıkla, doğrudan faydası nedeniyle -aynı genin bağımsız olarak evrimleşebilen kopyalarını yaratma yeteneği- evrimin istikrarlı bir aracı haline gelmiştir. Örneğin, omurgalılarda, vücudun uzunlamasına ekseninin oluşumundan sorumlu olan Hox genleri ile nöral kret oluşumunda rol oynayan genler arasında duplikasyonlar gözlemlenmiştir. Nöral kret soyundan gelen hücreler, çok çeşitli organlarda bulunur: kalp, sinir sistemi, dişler, kafatası kemikleri ve pigment hücreleri. Duplikasyon, teleost balıklarında açıkça gösterildiği gibi, bir organizmanın izleyebileceği evrimsel yolların sayısını artırır. Diğer omurgalılara kıyasla "ekstra" bir genom kopyalama turuna sahip olmaları ve omurgalıların en çeşitli grubu olmaları (65.000 omurgalı türünün yaklaşık 30.000'ini kemikli balıklar oluşturur), bunun evrim için "hammadde" miktarının artmasının bir sonucu olabileceği düşünülmektedir.

Tüm genomun kopyalanmasından sonra, genomun ikinci kopyası her zaman tamamen korunmaz: kısmen kaybolabilir (istisnalar olsa da, örneğin pençeli kurbağada tetraploid bir genom korunur). Kopyalama, başlangıçta hücre bölünmesindeki bir aksaklık sonucu meydana gelir. Bu, ebeveynde üreme hücresinin oluşumu sırasında veya embriyonik gelişimin erken aşamalarında meydana gelebilir. Kromozomların iki yavru hücreye ayrılması gereken aşamada bölünme durur ve her kromozomun dört kopyası tek bir hücrede kalır, böylece böyle bir hücrenin tüm yavruları iki kat daha fazla kromozoma sahip olur.

Bu durum istikrarsızdır; tetraploid hücreler genellikle bölünmede bir kesinti yaşar ve taşıyıcılarının yavruları yeni kromozomal bölgeler kazanır veya kaybeder, bu da hastalıklara (kanser dahil) ve erken ölüme yol açabilir. Zamanla, böyle bir hücrenin yavruları orijinal diploid duruma geri dönmeye "çalışır". Bazı kromozom kopyaları yok olurken, diğerleri değişiklikler biriktirmeye başlar ve bu da bölünme sırasında birbirlerinin kopyaları olarak tanınmamalarına neden olur. Bu kopyalar, evrimsel tarihte kalan çoğalma izleridir. Çoğalmış genler, yalnızca yakın benzerlikleriyle değil, aynı zamanda çoğalmadan önce gözlemlenen kromozomdaki benzerliği ve dizilimi koruyan komşu genleriyle de tanımlanabilir.

Noggin ve Foxg1 gen ailelerinin oluşumu muhtemelen bu şekilde gerçekleşmiştir ve Rus bilim insanları tarafından yakın zamanda Paleontoloji Dergisi'nde yayınlanan bir çalışmanın konusu olmuştur. Bu makale, model olmayan ancak omurgalı evrimini anlamak için önemli olan organizmaları incelemiştir: lampreyler , kıkırdaklı balıklar ve kıkırdaklı ganoidler (yani mersin balıkları ve akrabaları). Bu organizmaların laboratuvar koşullarında bakımı son derece zordur (daha bilindik model organizmaların aksine), bu nedenle üzerlerinde nispeten az çalışma vardır. Yine de, hepsi bu alt şubenin evriminde dönüm noktalarını temsil ettikleri için, omurgalı evriminin eksiksiz bir resmini elde etmek için incelenmeleri önemlidir.

Tüm omurgalılar gibi, lampreyler (Petromyzontiformes) de bölmeli bir beyin, omurilik ve solungaç kemerlerine sahiptir. Yüksek bir rejenerasyon kapasitesine ve adaptif bir bağışıklık sistemine (muhtemelen çeneli omurgalılardan bağımsız olarak ortaya çıkmıştır) sahiptirler. Ancak, çenelerinin olmaması, epifiz bezinin (çeneli omurgalıların beyninde epifiz bezine dönüşen) varlığı, iç kulakta iki yarım daire kanalı ve çift uzuvlarının olmamasıyla diğer omurgalılardan ayrılırlar. Lampreylerin genetik özelliklerinden biri de "lamprey lehçesi" olarak adlandırılan özelliktir: Bilinmeyen bir nedenle, birbiriyle akraba olmayan lamprey grupları genellikle aynı genlerde benzer mutasyonları paylaşır. Bu durum, bireysel genleri analiz ederken, akraba olmayan lamprey türleri arasında yakın aile ilişkileri ve lamprey genleri ile olması gereken diğer omurgalılar arasında aile ilişkilerinin eksikliği yanılsamasını yaratır. Bu nedenle, lamprey genomlarını incelerken, birbirleriyle ve diğer omurgalılarla ilişkilerini güvenilir bir şekilde belirlemek için hesaplamaları ayarlamak gerekir.

Kıkırdaklı balıklar (Chondrichthyes) - köpekbalıkları, vatozlar ve kimeralar - çeneli balıklar arasında evrimsel atalarına en yakın (en temel ) gruptur ve kıkırdaklı bir iskelete sahip olmaları ve yüzme kesesinden yoksun olmaları bakımından benzersizdirler. Pulları omurgalı dişlerine homologdur: her ikisi de dentinden oluşur ve köpekbalığı pulları, diğer omurgalıların dişleri gibi kan damarları içerir. Dahası, köpekbalıklarındaki hem dişler hem de pullar sinir sırtı hücrelerinden kaynaklanır. Bu, çoğu balıkta kaybolan ancak kıkırdaklı balıklarda korunan çok eski bir özelliktir. Kıkırdaklı balıkların ve modern kemikli balıkların ortak atası 450 milyon yıl önce yaşamıştır. Bu soylar çok uzun zaman önce ayrıldığı için, kıkırdaklı balıklar temel çene özelliklerinin -eşleştirilmiş yüzgeçler, beyincik, solungaç aygıtı ve elbette çene- evrimini anlamak için çok önemlidir. Ancak bunların laboratuvar koşullarında bakımı ve incelenmesi son derece zordur; büyük deniz akvaryumları gerektirirler, az sayıda yumurta üretirler ve bu yumurtalar opak bir kabuğun arkasında gizlidir, bu da embriyoların incelenmesini ve yumurtaları açmadan gelişim evresinin belirlenmesini zorlaştırır.

Kıkırdaklı ganoidler (veya kıkırdaklı ganoidler, Chondrostei), 345 milyon yıl önce genel omurgalı soyundan ayrılmış olup, milyonlarca yıldır görünümlerinde çok az değişiklik gösteren "yaşayan fosiller" olan kürek balıkları ve mersin balıklarını içerir. Moleküler düzeyde benzersiz özelliklere sahiptirler: hücre çekirdekleri 120 ila 380 arasında çok sayıda kromozom içerir ve bunlar arasında cinsiyet kromozomları belirgin değildir, bu da genomun engellenmeden kendini kopyalamasına olanak tanır. Kemikli balıkların aksine, kıkırdaklı ganoid kromozomları sıklıkla delesyonlara (genomun bir kısmının kaybolduğu mutasyonlar) uğrar ve bu da büyük kromozom parçalarının veya hatta tüm kromozomların aniden kaybolmasına neden olur. Bu mekanizma muhtemelen ganoid hücrelerinin stabilitesini korur.

Noggin ve Foxg1 ailelerinin daha önce bahsedilen genleri, bu grupların hepsinde (genel olarak tüm kordalılarda olduğu gibi) mevcuttur, ancak sayıları gruplar arasında değişiklik gösterir. Bu genler, çeşitli morfolojik yapıların, özellikle de omurgalıların benzersiz baş yapısının oluşumundan sorumludur. Bu ailelerin homolog genlerinin (veya ortolog genlerin, yani ortak bir atayı paylaşan iki farklı türde türleşme sırasında ortaya çıkan genlerin - tek bir türün genomunda çoğalma sonucu ortaya çıkan paralog genlerin aksine) çeneli ve agnathanlarda keşfi, tüm genom çoğalmasının ikinci turunun bağımsız olarak değil, ortak atalarında gerçekleştiğini doğrulayacaktır.

Noggin gen ailesi (adı İngilizce argoda "kafa" anlamına gelen bir kelimeden gelir), embriyonik gelişim sırasında embriyonun dorsal ve ventral (sırt ve karın) taraflarının oluşumundan sorumludur. Embriyoda dorsal tarafın gelişimi engellenir ve Noggin protein ürünleri verilirse, sırt oluşumu başlar. Ancak bu gen ailesinin işlevi burada bitmez: kıkırdak dokusunun, işitme cihazının, gözlerin ve saç köklerinin oluşumunda rol oynar. Noggin gen ürünleri ayrıca kanser hücrelerinin gelişimini de baskılayabilir.

Yazarlar genom veritabanlarını analiz ettiler ve omurgasız kordalıların ( lansetler ve ascidians ) genomlarında yalnızca tek bir Noggin gen kopyası bulunduğunu, tüm omurgalıların ise bu genin birkaç paraloguna sahip olduğunu buldular. Bu genin lamprey kopyaları, diğer omurgalılardaki benzer kopyalarla homologdu, ancak "lamprey lehçesi", bu kopyalar arasında doğrudan bir homoloji kurmayı zorlaştırıyor; lampreylerde NogginD ve diğer omurgalılarda Noggin4 . Benzer bir durum, komşu genleri analiz ederken de ortaya çıkıyor: çeneli ve çenesiz balıklarda genel örüntü benzer, ancak homoloji tam bir kesinlik içinde tespit edilemiyor. Dahası, Noggin1 geninin en ilkel kimeralar dışında tüm kıkırdaklı balıklarda bulunmadığı ve bulunduğu köpekbalıklarında protein sentezleme yeteneğini kaybettiği keşfedildi. Bu durum muhtemelen kıkırdaklı iskeletlerinin yapısında meydana gelen bir değişiklikten kaynaklanmış olabilir, bu nedenle bu gene olan ihtiyaç ortadan kalkmıştır (diğer omurgalılar üzerinde yapılan deneylerde kıkırdaklı dokunun gelişimini baskılamıştır).

Böylece, Noggin ailesinin genleri omurgalılarda iskelet evriminde önemli bir rol oynar ve aynı zamanda in situ boyama ile doğrulandığı gibi beyin oluşumunda da rol oynar (Şekil 4). Belirli bir protein için RNA'nın boya etiketli, tamamlayıcı (uyumlu) bir kopyası embriyoya enjekte edilir. Sentezlendiği hücrelerde hedef proteini oluşturmaktan sorumlu RNA'ya bağlanır ve proteinin sentezlenmediği hücrelerden yıkanarak atılır. Bu, hücrenin hedef proteini ürettiği bölgeleri ortaya koyarak vücuttaki işlevi hakkında hipotezler kurmamızı sağlar. Örneğin, lamprey embriyolarında, Noggin genleri tarafından üretilen proteinler beyin ve notokordun çeşitli bölgelerinde yoğunlaşmıştır ve bu da beyin ve iskeletin oluşumunda rol oynadığını düşündürmektedir.

Omurgalıların en önemli özelliklerinden biri, beyinlerinin bölümlere ayrılmış olmasıdır; bunlar arasında, diğer tüm hayvan gruplarında bulunmayan ön beyin öne çıkar. Embriyonik gelişimin son aşamalarında ön beyin, görme, hareket, refleks oluşumu ve yüksek sinir aktivitesinden sorumlu olan diensefalon ve telensefalon olarak ikiye ayrılır. Bu çalışmada incelenen ikinci gen ailesi olan foxg1 , ön beynin oluşumundan sorumludur.

Bu ailedeki genlerin bozulması beyinde gelişimsel bozukluklara, insanlarda ise epilepsi ve mikrosefaliye yol açar. Bu gen (veya homologları) çeşitli omurgasız gruplarında tanımlanmıştır, ancak bu gruplarda yalnızca bir kopyası bulunur. Ancak yazarlar, çenesiz balıklarda (daha önce genin yalnızca bir kopyası tanımlanmıştı) üç foxg1 paralogu tanımladılar. Ayrıca kıkırdaklı balıklarda, kıkırdaklı ganoidlerde ve kemikli balıklarda üç foxg1 homologunun varlığını da saptadılar. Memelilerde ve kuşlarda bu homologlar kaybolmuş ve geriye yalnızca tek bir foxg1 kopyası kalmıştır.

Noggin genlerinde olduğu gibi, agnathanlardaki foxg1 paralogları ile çeneli balıklardaki aynı familyadan genler arasında kesin bir benzerlik tespit etmek zordur. Bu nedenle, agnathanlar ve gnathostomlarda benzer komşu genlerin varlığına rağmen, genlerinin kesin olarak homolog olduğu söylenemez. Lamprey ve mersin balığı embriyolarında foxg1 ürünlerinin boyanması, bu genin embriyonun ön beyin ve labrumunun çeşitli bölgelerinde ifade edildiğini ortaya koymuştur.

Bu çalışma, omurgalıların benzersiz özelliği olan "yeni kafa"nın, baş oluşumundan sorumlu olanlar da dahil olmak üzere, tüm genomun birden fazla kez kopyalanmasıyla ortaya çıktığını ve ardından bireysel gen ailelerinin korunduğunu göstermektedir. Bu genler çok işlevlidir ve yalnızca baş yapısından değil, aynı zamanda birçok başka hücre ve dokunun oluşumundan da sorumludur. Özellikle noggin1 geni Omurgalılarda kıkırdak ve kemik dokusu arasındaki dengeyi sağlar. Aktivitesinin yoğunluğundaki değişiklikler, hatta kaybı, sadece başın değil, iskelet de dahil olmak üzere tüm vücudun yapısında büyük ölçekli değişikliklere yol açar. Ayrıca, erken embriyonik evrelerde bu aile sırt ve karın kısımlarının oluşumunu belirler.

Ne yazık ki, yazarlar, agnathanlar ve çeneli omurgalıların ortak atasında iki turluk bir çoğalmayı destekleyen kanıtlara (örneğin benzer bitişik genler) rağmen, tüm genom çoğalmalarının kesin evrimsel tarihini ortaya koyamadılar. Lamprey genomlarının kendine özgü özellikleri (sözde "lehçe") nedeniyle, lampreylerdeki Noggin ve foxg1 genlerinin çoğaltılmış kopyalarının çeneli omurgalılarınkilerle homolog olup olmadığını güvenilir bir şekilde belirlemek imkansızdır. Bu çalışma, yeterince incelenmemiş evrimsel soy hatlarına ışık tutmakta ve genomlarının hala birçok cevapsız soru barındırdığını göstermektedir; bu soruların çözümü, omurgalı oluşumunun evrimsel tarihini daha iyi anlamamıza yardımcı olacaktır.

Kaynak: AV Bayramov, GV Ermakova, AV Kucheryavyy, FM Eroshkin ve AG Zaraisky. Morfolojik Dönüşümlerin Genetik Temeli: Erken Omurgalı Evriminde Tüm Genom Kopyalarının Mirası Olarak Noggin ve Foxg1 Ailelerinin Genleri // Paleontoloji Dergisi . 2024. DOI: 10.1134/S0031030124601208.

Vladimir Verzhbitsky