Молодь помогает ответить на большой вопрос о развитии. threespine колюшка (Gasterosteus aculeatus) долго была широко распространена в море. Но после того, как ледники таяли 10,000 лет назад, многие завершили в новых пресноводных озерах и потоках. В этих незнакомых окружающих средах рыба потеряла их костистые пластины и позвоночники и развила новые поведения и физиологию. Новое исследование показывает, что многие из этих относительно быстродействующих изменений были должны не к мутациям в определенных генах, как некоторые биологи долго предполагали, а скорее к изменениям в деятельности этих генов.
Открытие должно помочь сосредоточить больше внимания на роли регуляции генов в развитии, не только рыбы, но и всех организмов, включая людей.В течение многих десятилетий эволюционные биологи были очарованы повторным развитием пресноводных черт в морских колюшках. У этих рыб развитие дублировало себя тысячи времен как морские предки, перемещенные в пресную воду во многие части северного полушария, включая Аляску, Калифорнию, Европу и Японию. Все эти рыбы претерпели подобные изменения в их почках, фигуре, размере глаза и числе костистых пластин на их органах.
Дэвид Кингсли, эволюционный биолог в Стэнфордском университете в Пало-Альто, Калифорния, использовал в своих интересах это параллельное развитие для взгляда на то, как геном вызывает эти изменения.Он, Kerstin Lindblad-Toh Широкого Института в Кембридже, Массачусетс и их коллеги сначала упорядочили ДНК колюшки от озера на Аляске в высокой степени точности. С этой справочной последовательностью как гид исследователи смогли, с меньшим количеством работы, упорядочить геномы 10 дополнительных пар колюшек со всего мира. Каждая пара состояла из морского человека и его близлежащего пресноводного родственника.
Как правило, любой ген должен быть самым подобным среди рыбы от того же места. Но если бы было повторенное развитие в определенном регионе генома, то тот регион должен быть подобным у всей пресноводной рыбы, независимо от того, как близко они жили друг другу.
Бригада Кингсли просмотрела все геномы для регионов, где повторное развитие произошло, найдя 147 из них и подтвердив, что повторное развитие было необузданным у этих рыб.Затем, исследователи считали, сколько из этих регионов содержало ген. Тогда они сравнили последовательности того гена среди различной рыбы. Если гены были тем же у всей пресноводной рыбы, но отличающийся от морского коллеги, исследователи предположили, что сам ген был ответственен за адаптацию к пресной воде.
Это произошло только в 17% регионов, Кингсли и его коллеги сообщают онлайн сегодня по своей природе. Между тем приблизительно 41% регионов не содержал гена, указывая, что изменения, ответственные за адаптацию, регулировали деятельность генов в другом месте в геноме. Еще 43% содержали ген и регулирующую ДНК, но потому что только регулирующая ДНК была тем же среди пресноводной рыбы, исследователи предположили, что регулирующие изменения были в основе той адаптации также.Исследователи задокументировали повторенное развитие в других организмах, но колюшки уникальны, потому что пресноводный переход произошел так много раз. «Колюшки были феноменальной системой для понимания быстродействующего развития», говорит эволюционный биолог Эрика Бри Розенблум из Калифорнийского университета, Беркли, кто не был вовлечен в исследование. «Эта бумага показывает, что повторное развитие может произойти путем ‘многократного использования’ тех же генетических механизмов много раз».
На данный момент Кингсли имеет бухгалтерский учет всего генома снова использованных генетических изменений, вовлеченных в переход к пресноводному, но не знает большинство черт те изменения контроль. Он и другие исследователи теперь пытаются разыскать тех. «Это будет большим следующим шагом», говорит Хопи Хоекстра, эволюционный биолог в Гарвардском университете, не вовлеченный в исследование.