Badanie genomu niewielkich ryb ujawnia siły wpływające na powtarzalność ewolucyjną
Na ile przewidywalna jest ewolucja? Gdyby dało się cofnąć czas, czy przy istnieniu tych samych ograniczeń środowiskowych ewolucja danego organizmu przebiegłaby tak samo? Pytania te od dawna frapowały biologów ewolucyjnych, którzy starali się wyjaśnić rolę przypadkowych zdarzeń oraz procesów deterministycznych w historii ewolucyjnej organizmów. „Wiedza na temat tego, w jaki sposób organizmy ewoluowały w czasie i przystosowywały się w odpowiedzi na podobne zmiany środowiskowe, mogłaby pomóc badaczom przewidywać to, jak bakterie czy wirusy mogą adaptować się do farmakoterapii. Oznacza to, że podejście ewolucyjne może pomóc w zwiększaniu skuteczności antybiotykoterapii”, zauważa Catherine Peichel, koordynatorka projektu PLEVOCON realizowanego w ramach działania „Maria Skłodowska-Curie”.
Środowisko testowe dla naturalnych eksperymentów ewolucyjnych
Ciernik, ryba wielkości palca występująca na półkuli północnej, jest podręcznikowym przykładem modelowego gatunku z punktu widzenia biologii ewolucyjnej. Wraz z roztapianiem się grenlandzkiej pokrywy lodowej na końcu ostatniego zlodowacenia cierniki, żyjące dotychczas w słonych wodach, przeszły zmiany ewolucyjne umożliwiające im życie w wodzie słodkiej. Proces ten zajął im zaledwie 15 000 lat. Po skolonizowaniu nowych środowisk słodkowodnych w różnych regionach u cierników występowały podobieństwa fenotypu. Fenomen ten nosi nazwę ewolucji równoległej. Populacje cierników występujące w dużych jeziorach mają zwykle krótkie i smukłe ciała, duże oczy oraz dostosowane struktury umożliwiające im żywienie się zooplanktonem w wodach powierzchniowych. W przeciwieństwie do swych krewnych żyjących w jeziorach, bentoniczne populacje cierników zamieszkujące strumienie mają często dłuższe i masywniejsze ciała oraz mniejsze oczy. „Takie odmienne wzorce obserwowane u cierników zamieszkujących jeziora oraz strumienie powtarzają się w populacjach zamieszkujących różne obszary geograficzne”, zauważa Peichel. Pojawienie się takich powtarzalnych cech fenotypu niezależnie w kilku liniach ewolucyjnych, oznacza, że doszło do reakcji na podobne warunki środowiskowe i wystąpiły te same mechanizmy ewolucyjne. „Ewolucja nie zawsze jest wynikiem przypadkowych procesów. Czasami przebiega zgodnie z procesami deterministycznymi, powodując te same efekty za każdym razem”, dodaje Peichel.
Odkrycie podstaw genetycznych powtarzalności ewolucyjnej
Naukowcy z projektu PLEVOCON nie zadowolili się powierzchownym rozpoznaniem powtarzalnych wzorców ewolucji równoległej w genomie ryb; postarali się zbadać, co odpowiada za takie powtórzenia. Czy te same geny (loci) oraz mechanizmy genetyczne są uruchamiane za każdym razem, by stworzyć odmienne wzorce, które możemy zaobserwować u podobnie wyglądających organizmów? Badacze przeprowadzili badanie polegające na sekwencjonowaniu całego genomu 16 par cierników żyjących w słodkich wodach strumieni i jezior na wyspie Vancouver w Kanadzie. Uczeni ustalili, że około 30 % wysoce zróżnicowanych regionów genomicznych wyewoluowało równolegle. Badania porównawcze wykazały, że współczynniki mutacji i rekombinacji pomiędzy równoległymi i nierównoległymi ramkami odczytu nie różnią się znacząco. Badacze odkryli jednak, że równoległe obszary genomiczne zawierają wiele genów plejotropowych, czyli takich, które odpowiadają za liczne cechy fenotypu. Zespół wykorzystał dwie różne metody badania powiązania pomiędzy plejotropią a ewolucją równoległą. Naukowcy najpierw przeszukali duże genetyczne bazy danych pod kątem loci cechy ilościowej – szczególnych obszarów genomu, w których geny wchodzą w interakcje, by tworzyć złożone cechy fenotypu – i odkryli, że w równoległych oknach znajduje się więcej takich obszarów. Następnie wykorzystali dane z sekwencjonowania RNA pozyskane z wcześniejszych badań nad ciernikami, by wyszukać wzorce współekspresji genów. Wyniki badań wykazały, że równoległe ramki działały jako miejsce aktywacji wysoce skorelowanych genów, działających w zastępstwie plejotropii. „Nasze ustalenia są sprzeczne z przewidywaniami stwierdzającymi, że geny nieplejotropowe swobodniej ewoluują równolegle. Geny o bardzo wysokich poziomach plejotropii mogą w rzeczy samej opóźniać adaptację, ale geny o ograniczonej plejotropii często jej sprzyjają”, podsumowuje Peichel.
Słowa kluczowe
PLEVOCON, plejotropia, genom, ciernik, ewolucja równoległa, cecha fenotypu, loci cechy ilościowej, współekspresja genów
