Schlittschuhe entwickelten ihre wellenförmigen Flügel dank Genom-Origami

Schlittschuhe bekamen ihre flügelähnlichen Flossen mit Hilfe einer genetischen Mischung, die verschiedene Abschnitte ihres Genoms in physischen Kontakt miteinander brachte. Dadurch entstand ein neues Muster der Genaktivität in den Flossen von Rochen-Embryonen, was deutlich macht, wie Änderungen an der dreidimensionalen genomischen Architektur die Entwicklung neuer Körperstrukturen vorantreiben können.

Evolutionsbiologen sind von Fischflossen fasziniert, weil sie eine der großen Innovationen bei Wirbeltieren darstellen: gepaarte Anhängsel. Diese zeigen eine erstaunliche Vielfalt an Formen, einschließlich unserer Arme. Bei Schlittschuhen sind das Äquivalent ihre vorderen oder Brustflossen, die sich nach vorne erstrecken und mit dem Kopf verwachsen sind.

„Irgendwie sind Brustflosse und Kopf funktional und strukturell vollständig kombiniert und integriert“, sagt Tetsuya Nakamura, Entwicklungsbiologe an der Rutgers University in New Jersey. „Das ist ein ziemlich bemerkenswertes Tier.“

Um zu untersuchen, wie sich die Flossen entwickelt haben, untersuchte Nakamuras Team zusammen mit fünf anderen Gruppen die 3D-Struktur des Genoms des kleinen Rochens (Leucoraja erinacea).

Sie wollten Schlittschuhe untersuchen, weil sich ihre Genome, wie die von Haien und Rochen, langsamer entwickelt haben und denen von angestammten Wirbeltieren ähnlicher sind als andere Tiere, die üblicherweise in der Forschung verwendet werden, wie etwa Zebrafische. Dies erleichtert das Erkennen wichtiger Veränderungen und gibt einen Einblick in die Genomentwicklung, die sich über einen längeren Zeitraum erstreckt.

Die Forscher suchten nach Strukturen, die als topologisch assoziierende Domänen (TADs) bezeichnet werden. Dies sind große, in sich geschlossene DNA- und Proteinschleifen, die Gene in Kontakt mit nichtkodierenden DNA-Regionen bringen, die als Enhancer bezeichnet werden und steuern, wo und wann Gene aktiv sind.

Es ist bekannt, dass TADs eine Rolle bei der Entwicklung spielen, und Störungen ihrer Struktur können angeborene Erkrankungen beim Menschen verursachen. Es wurde auch festgestellt, dass veränderte TADs evolutionäre Innovationen bei anderen Säugetieren vorantreiben, wie z. B. den Keimdrüsen weiblicher Maulwürfe. Eine große Frage ist, ob sie eine breitere Rolle in der Evolution der Wirbeltiere gespielt haben.

Die Teams leiteten die 3D-Struktur der Schlittschuh-TADs ab und verglichen diese dann mit denen ihrer nächsten Verwandten, den Haien. Sie fanden DNA-Abschnitte, die aufgebrochen und innerhalb von Rochen-TADs bewegt worden waren, die Polaritätsgene für planare Zellen enthielten, die den Zellen helfen, in der Ebene eines Gewebes alle in die gleiche Richtung zu zeigen. Diese Gene sind der Grund, warum Haare auf der Haut von Säugetieren alle in eine bestimmte Richtung zeigen.

Das Team zeigte, dass eines dieser Gene nun bei der Entwicklung von Schlittschuh-, aber nicht von Hai-Brustflossen aktiv war. Nakamura glaubt, dass dies bedeuten könnte, dass sich die Rochenflossenzellen alle in die gleiche Richtung ausdehnen können, was die Form des Gewebes beeinflusst.

Dies wird jedoch nicht die ganze Geschichte der Skate-Flossen-Evolution sein. Andere Gene und Enhancer werden beteiligt sein, sagt er. „Evolution ist wirklich kompliziert. Mehr als wir erwartet hatten.“

Das Team fand heraus, dass die TADs beeinflussten, welche DNA-Abschnitte verschoben werden oder verloren gehen können und welche im Laufe der Evolution intakt bleiben müssen. „Ich denke, es ist eine völlig andere Art, zu sehen, wie sich Genome entwickeln“, sagt Teammitglied DarIno Wölfeohneez am Max-Delbrück-Centrum in Berlin, Deutschland.

Die Arbeit zeigt die Leistungsfähigkeit der Analyse und des Vergleichs von 3D-Genomstrukturen, um neue Mechanismen hinter evolutionären Innovationen aufzudecken, sagt Matthew Harris von der Harvard Medical School. Die Verwendung dieses Ansatzes kann zu großen Überraschungen wie dieser führen, anstatt sich anzusehen, wie bekannte Gene reguliert werden. „Niemand hätte zu Beginn des Tages gedacht, dass die Polarität planarer Zellen an der Flossenentwicklung beteiligt gewesen wäre“, sagt er.