Οι ερευνητές χρησιμοποιούν γονιδιώματα 241 ειδών για να επαναπροσδιορίσουν το θηλαστικό δέντρο της ζωής

Έρευνα με επικεφαλής μια ομάδα επιστημόνων στο Texas A&M College of Veterinary Medicine and Biomedical Sciences φέρνει τέλος στην έντονη επιστημονική συζήτηση σχετικά με την ιστορία της διαφοροποίησης των θηλαστικών σε σχέση με την εξαφάνιση δεινοσαύρων χωρίς πτηνά. Το έργο τους δίνει μια οριστική απάντηση στο εξελικτικό χρονοδιάγραμμα των θηλαστικών τα τελευταία 100 εκατομμύρια χρόνια.

Η μελέτη, που δημοσιεύτηκε στο Επιστήμη, είναι μέρος μιας σειράς εργασιών που δημοσιεύθηκαν από το Zoonomia Project, μια κοινοπραξία επιστημόνων από όλο τον κόσμο που χρησιμοποιεί το μεγαλύτερο σύνολο δεδομένων γονιδιώματος θηλαστικών για να προσδιορίσει την εξελικτική ιστορία του ανθρώπινου γονιδιώματος στο πλαίσιο της εξελικτικής ιστορίας των θηλαστικών. Ο απώτερος στόχος τους είναι να προσδιορίσουν καλύτερα τη γενετική βάση των χαρακτηριστικών και των ασθενειών σε ανθρώπους και άλλα είδη.

Η έρευνα του Texas A&M University, με επικεφαλής τον Δρ. William J. Murphy, καθηγητή στο Τμήμα Κτηνιατρικών Ολοκληρωτικών Βιοεπιστημών, και τη Δρ Nicole Foley, συνεργάτη ερευνητή στο εργαστήριο του Murphy, έχει τις ρίζες της στη φυλογένεση, έναν κλάδο της βιολογίας που ασχολείται με τις εξελικτικές σχέσεις και τη διαφοροποίηση των ζωντανών και εξαφανισμένων οργανισμών.

«Το κεντρικό επιχείρημα είναι εάν τα θηλαστικά του πλακούντα (θηλαστικά που αναπτύσσονται μέσα στον πλακούντα) αποκλίνουν πριν ή μετά το γεγονός εξαφάνισης Κρητιδικού-Παλαιογενούς (ή K-Pg) που εξάλειψε δεινόσαυρους χωρίς πτηνά», μοιράστηκε ο Foley. «Πραγματοποιώντας νέους τύπους αναλύσεων που είναι δυνατές μόνο λόγω του τεράστιου εύρους του Zoonomia, απαντάμε στο ερώτημα πού και πότε τα θηλαστικά διαφοροποιήθηκαν και εξελίχθηκαν σε σχέση με τη μαζική εξαφάνιση των K-Pg».

Η έρευνα, η οποία πραγματοποιήθηκε με συνεργάτες από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Davis. Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Riverside; και το Αμερικανικό Μουσείο Φυσικής Ιστορίας – καταλήγει στο συμπέρασμα ότι τα θηλαστικά άρχισαν να διαφοροποιούνται πριν από την εξαφάνιση των K-Pg ως αποτέλεσμα της ηπειρωτικής μετατόπισης, η οποία προκάλεσε τις χερσαίες μάζες της Γης να απομακρυνθούν και να επανασυνδεθούν για εκατομμύρια χρόνια. Ένας άλλος παλμός διαφοροποίησης εμφανίστηκε αμέσως μετά την εξαφάνιση των K-Pg των δεινοσαύρων, όταν τα θηλαστικά είχαν περισσότερο χώρο, πόρους και σταθερότητα.

Αυτός ο επιταχυνόμενος ρυθμός διαφοροποίησης οδήγησε στην πλούσια ποικιλομορφία των γενεαλογιών θηλαστικών, όπως τα σαρκοφάγα, τα πρωτεύοντα και τα πεταλλοειδή, που μοιράζονται τη Γη σήμερα.

Η έρευνα των Murphy και Foley χρηματοδοτήθηκε από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών και αποτελεί μέρος του Zoonomy Project με επικεφαλής τους Elinor Karlsson και Kerstin Lindblad-Toh του Broad Institute, το οποίο συγκρίνει επίσης γονιδιώματα θηλαστικών για να κατανοήσει τη βάση για αξιόλογους φαινοτύπους: την έκφραση ορισμένα γονίδια, όπως καστανά έναντι μπλε μάτια, και την προέλευση της νόσου.

Ο Foley σημείωσε ότι η ποικιλομορφία μεταξύ των πλακουντιακών θηλαστικών εκδηλώνεται τόσο στα φυσικά τους χαρακτηριστικά όσο και στις εξαιρετικές τους ικανότητες.

“Τα σημερινά θηλαστικά αντιπροσωπεύουν τεράστια εξελικτική ποικιλομορφία, από το βουητό πτήση της μικροσκοπικής νυχτερίδας μέλισσας έως την άτονη ολίσθηση της τεράστιας γαλάζιας φάλαινας καθώς κολυμπάει στους απέραντους ωκεανούς της Γης. Πολλά είδη έχουν εξελιχθεί για να ηχολογούν, μερικά παράγουν δηλητήριο, ενώ άλλα έχουν αναπτύξει καρκίνο αντίσταση και ιική ανοχή», είπε.

«Το να μπορούμε να δούμε τις κοινές ομοιότητες και διαφορές μεταξύ των ειδών θηλαστικών σε γενετικό επίπεδο μπορεί να μας βοηθήσει να ανακαλύψουμε τα μέρη του γονιδιώματος που είναι κρίσιμα για τη ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης», συνέχισε. «Η τελειοποίηση αυτού του γονιδιωματικού μηχανισμού σε διαφορετικά είδη έχει οδηγήσει στην ποικιλομορφία των χαρακτηριστικών που βλέπουμε στα ζωντανά θηλαστικά σήμερα».

Ο Μέρφι μοιράστηκε ότι η επιλυμένη φυλογένεση των θηλαστικών του Φόλεϊ είναι ζωτικής σημασίας για τους στόχους του Έργου Zoonomia, το οποίο στοχεύει να αξιοποιήσει τη δύναμη της συγκριτικής γονιδιωματικής ως εργαλείο για την ανθρώπινη ιατρική και τη διατήρηση της βιοποικιλότητας.

«Το Zoonomy Project είναι πραγματικά εντυπωσιακό γιατί είναι η πρώτη ανάλυση που ευθυγραμμίζει 241 διαφορετικά γονιδιώματα θηλαστικών ταυτόχρονα και χρησιμοποιεί αυτές τις πληροφορίες για την καλύτερη κατανόηση του ανθρώπινου γονιδιώματος», εξήγησε. «Η κύρια ώθηση για τη συγκέντρωση αυτού του μεγάλου συνόλου δεδομένων ήταν να μπορέσουμε να συγκρίνουμε όλα αυτά τα γονιδιώματα με το ανθρώπινο γονιδίωμα και στη συνέχεια να προσδιορίσουμε ποια μέρη του ανθρώπινου γονιδιώματος έχουν αλλάξει σε όλη την εξελικτική ιστορία των θηλαστικών».

Ο καθορισμός των τμημάτων των γονιδίων που μπορούν να χειριστούν και ποια μέρη δεν μπορούν να αλλάξουν χωρίς να βλάψουν τη λειτουργία των γονιδίων είναι σημαντικός για την ανθρώπινη ιατρική. Μια πρόσφατη μελέτη στο Science Translational Medicine Με επικεφαλής έναν από τους συναδέλφους των Murphy και Foley, ο γενετιστής του Texas A&M Dr. Scott Dindot, χρησιμοποίησε τη συγκριτική γονιδιωματική προσέγγιση για να αναπτύξει μια μοριακή θεραπεία για το σύνδρομο Angelman, μια σπάνια και καταστροφική νευρογενετική διαταραχή που προκαλείται από απώλεια της λειτουργίας του μητρικού συστήματος. UBE3A γονίδιο στον εγκέφαλο

Η ομάδα του Dindot εκμεταλλεύτηκε τα ίδια μέτρα εξελικτικού περιορισμού που εντοπίστηκαν από το Zoonomia Project και τα εφάρμοσε για να εντοπίσει έναν κρίσιμο αλλά προηγουμένως άγνωστο γενετικό στόχο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη διάσωση της έκφρασης UBE3A στους ανθρώπινους νευρώνες.

Ο Μέρφι είπε ότι η επέκταση της ικανότητας σύγκρισης γονιδιωμάτων θηλαστικών χρησιμοποιώντας το μεγαλύτερο σύνολο δεδομένων που έγινε ποτέ, θα βοηθήσει στην ανάπτυξη περισσότερων θεραπειών και θεραπειών για παθήσεις άλλων ειδών που έχουν τις ρίζες τους στη γενετική, συμπεριλαμβανομένων των γατών και των σκύλων.

«Για παράδειγμα, οι γάτες έχουν φυσιολογικές προσαρμογές που έχουν τις ρίζες τους σε μοναδικές μεταλλάξεις που τους επιτρέπουν να καταναλώνουν μια διατροφή αποκλειστικά πλούσια σε λιπαρά, υψηλή σε πρωτεΐνες που είναι εξαιρετικά ανθυγιεινή για τον άνθρωπο», εξήγησε ο Murphy. «Μία από τις όμορφες πτυχές της σειράς 241 ειδών της Zoonomia είναι ότι μπορούμε να επιλέξουμε οποιοδήποτε είδος (όχι μόνο τον άνθρωπο) ως αναφορά και να καθορίσουμε ποια μέρη του γονιδιώματος αυτού του είδους είναι ελεύθερα να αλλάξουν και ποια δεν μπορούν να ανεχτούν την αλλαγή. Στην περίπτωση των γατών, για παράδειγμα, μπορούμε να βοηθήσουμε στον εντοπισμό γενετικών προσαρμογών σε αυτά τα είδη που θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε θεραπευτικούς στόχους για καρδιαγγειακές παθήσεις στους ανθρώπους».

Η φυλογένεση του Murphy και του Foley έπαιξε επίσης βασικό ρόλο σε πολλές από τις επόμενες εργασίες που αποτελούν μέρος του έργου.

«Είναι η γονιδιωματική», εξήγησε ο Foley. “Ένα από τα πιο ανταποδοτικά πράγματα για εμένα που δούλευα ως μέρος ενός μεγαλύτερου έργου ήταν να δω πόσα διαφορετικά ερευνητικά έργα βελτιώθηκαν με τη συμπερίληψη της φυλογένεσής μας στις αναλύσεις τους. Αυτό περιλαμβάνει μελέτες για τη γονιδιωματική διατήρησης από απειλούμενα είδη έως εκείνα που παρατήρησαν την εξέλιξη διαφορετικών πολύπλοκα ανθρώπινα χαρακτηριστικά».

Ο Foley είπε ότι ήταν σημαντικό και ικανοποιητικό να απαντηθεί οριστικά στο πολυσυζητημένο ερώτημα του χρόνου προέλευσης των θηλαστικών και να παραχθεί μια εκτεταμένη φυλογένεση που θέτει τα θεμέλια για τις μελλοντικές γενιές ερευνητών.

«Στο μέλλον, αυτή η τεράστια ευθυγράμμιση του γονιδιώματος και η ιστορική καταγραφή της εξέλιξης του γονιδιώματος των θηλαστικών θα υποστηρίξουν όλα όσα θα κάνουν όλοι όταν θέτουν συγκριτικές ερωτήσεις στα θηλαστικά», είπε. “Αυτό είναι υπέροχο”.