Mengungkapkan Tiga Gelombang Keanekaragaman Inovasi Evolusi Vertebrata dari Berbentuk Analisis Genom

JurnalSecience - Selama 530 juta tahun terakhir, garis keturunan vertebrata bercabang keluar dari ikan tanpa rahang primitif menggeliat melalui laut Kambrium   semua bentuk yang beragam mencakup ikan, burung, reptil, amfibi, dan mamalia. Sekarang peneliti menyisir melalui urutan DNA dari genom vertebrata dan telah mengidentifikasi tiga periode yang berbeda inovasi evolusi yang menyertai ini diversifikasi yang luar biasa.

Penelitian yang dipimpin oleh para ilmuwan di University of California, Santa Cruz, dan diterbitkan pekan ini di Science, difokuskan pada unsur-unsur peraturan yang mengatur aktivitas gen. Mereka menemukan tiga kategori luas dari inovasi evolusi dalam regulasi gen yang meningkat dalam frekuensi selama periode yang berbeda dalam evolusi vertebrata. Periode pertama, misalnya, didominasi oleh inovasi regulasi yang mempengaruhi gen yang terlibat dalam perkembangan embrio. Perubahan ini terjadi selama periode menjelang sampai sekitar 300 juta tahun yang lalu, ketika mamalia terpisah dari burung dan reptil.

"Begitu banyak bidang tubuh yang baru berkembang selama waktu ini, masuk akal bahwa sinyal terkuat dalam analisis kami adalah untuk perubahan yang mempengaruhi gen yang terlibat dalam pengembangan rencana tubuh dan peraturan kompleks gen lain," kata David Haussler, seorang profesor terkemuka teknik biomolekuler di Sekolah Baskin teknik di UC Santa Cruz dan penulis yang sesuai kertas. Pertama penulis Craig Lowe bekerja pada studi ini sebagai mahasiswa pascasarjana dalam kelompok Haussler di UCSC dan sekarang menjadi peneliti postdoctoral di Universitas Stanford.

Banyak penelitian sebelumnya telah menunjukkan bahwa perubahan evolusioner penting pada hewan telah dihasilkan dari keuntungan, kerugian, atau modifikasi unsur-unsur gen regulasi, bukan dari evolusi protein-coding gen baru. "Sebagian besar perubahan yang terjadi selama evolusi vertebrata, sebagai hewan diperoleh rencana badan baru dan fitur seperti bulu dan rambut, yang bukan hasil dari gen baru tetapi elemen peraturan baru yang mengubah gen dan mematikan dalam pola yang berbeda," kata Haussler .

Studi baru mengidentifikasi jutaan peraturan inovasi ini  dengan menggunakan metode komputasi untuk mencari sekuens DNA yang masih sama pada spesies yang telah berevolusi secara terpisah selama jangka waktu yang lama. Urutan ini telah mungkin  dilestarikan oleh seleksi alam karena mereka memberikan fungsi penting, sehingga mutasi  bahwa perubahan mereka akan berbahaya bagi organisme. Urutan conserved luar gen diketahui cenderung elemen regulasi gen. Dengan membandingkan genom spesies yang berbeda pada garis keturunan evolusi waktu yang berbeda di masa lalu, peneliti dapat melihat ketika dalam sejarah evolusi urutan tertentu dilestarikan pertama kali muncul.

"Unsur-unsur peraturan baru inovasi evolusi yang telah disampaikan kepada semua keturunan dari spesies di mana mereka pertama muncul," kata Haussler. "Kami mendokumentasikan jutaan peristiwa ini Kami tidak yakin setiap orang adalah batuan padat, tapi kami memiliki begitu banyak pola statistik tegas -. Tren ini harus mencerminkan perubahan evolusioner yang terjadi."

Hasil ini memperkuat pentingnya regulasi gen sebagai mekanisme melalui mana evolusi terjadi pada tingkat molekuler, katanya. Temuan ini juga memberikan indikasi pertama fase berbeda dalam evolusi molekuler vertebrata, dengan perubahan dalam berbagai jenis proses biologi mendominasi selama periode yang berbeda dari sejarah evolusi.

Karena unsur-unsur peraturan biasanya terletak di dekat gen mereka mengatur, para peneliti yang ditugaskan setiap elemen dilestarikan dengan gen terdekat. Mereka diklasifikasikan gen ke dalam kategori luas, seperti gen perkembangan atau gen yang terlibat dalam komunikasi antara sel-sel, menggunakan informasi tentang fungsi gen tersedia melalui Browser UCSC Genome.

Pada periode pertama inovasi evolusi, selain perubahan gen yang mempengaruhi perkembangan, studi ini menemukan pengayaan unsur-unsur dramatis dalam dilestarikan dekat gen untuk protein yang dikenal sebagai "faktor transkripsi," yang mengikat DNA dan mengatur keseluruhan kelompok gen lain. Unsur-unsur peraturan baru yang mempengaruhi faktor transkripsi memuncak pada leluhur awal kita vertebrata 500 juta tahun lalu, kemudian menurun terus ke tingkat latar belakang dengan mamalia berevolusi waktu.

Gen-gen yang terlibat terpengaruh tren berikutnya dalam sel-sel komunikasi, seperti gen untuk protein "reseptor" yang duduk dalam membran sel dan menerima sinyal dari sel lain. Peningkatan inovasi regulasi dekat gen ini terjadi dari sekitar 300 juta tahun yang lalu sampai 100 juta tahun lalu dan terjadi secara independen dalam garis keturunan kedua ikan dan hewan dengan "ketuban" telur (burung, reptil, dan mamalia).

Tren ketiga muncul pada mamalia plasenta selama 100 juta tahun lalu, ketika ada peningkatan inovasi peraturan untuk gen yang terlibat dalam jalur sinyal dalam sel. Perubahan ini tweak lintas bicara kompleks antara molekul yang mengkoordinasikan semua kegiatan selular.

Akhirnya, para peneliti mengambil melihat dari dekat set dipelajari baik-gen yang terkait dengan perkembangan rambut tubuh, suatu sifat yang dimiliki oleh semua mamalia. Beberapa ratus gen diketahui terlibat dalam pembentukan rambut. "Gen ini telah ada sejak lama, tetapi jika kita melihat pada periode sekitar 250 juta tahun yang lalu ketika rambut berevolusi dalam pendahulu dari mamalia, kita melihat benjolan di dekat inovasi regulasi gen-gen," kata Haussler. "Ini bukan kejutan menakjubkan, tapi itu cara memvalidasi metode yang kita digunakan untuk mengukur inovasi peraturan."

Metode ini dapat digunakan untuk mencari tren evolusi lain dalam garis keturunan tertentu, khususnya sebagai ilmuwan urutan genom dari hewan yang lebih. Haussler, seorang Howard Hughes Medical Institute investigator dan direktur Pusat Sains dan Teknik Biomolekuler di UCSC, adalah salah seorang pendiri dari Proyek Genome 10K, yang bertujuan untuk mendapatkan urutan genom untuk 10.000 spesies vertebrata. Dengan demikian urutan besar jumlah genom vertebrata yang tersedia untuk analisis, peneliti akan berada dalam posisi untuk menemukan dasar molekuler untuk diversifikasi evolusi hampir semua spesies hewan besar.

Selain Haussler dan Lowe, rekan penulis kertas Science termasuk peneliti UCSC Brian Raney dan Sofie Salama, Manolis Kellis, Michele Clamp, dan Kerstin Lindblad-Toh dari Institut Broad dari MIT dan Harvard; Adam Siepel dari Cornell University, mantan UCSC mahasiswa pascasarjana, dan David Kingsley dari Stanford University. Penelitian ini didanai oleh Howard Hughes Medical Institute, Sloan Foundation, dan Eropa Science Foundation.diterbitkan di daily secience