Größter Genom-Vergleich aller Zeiten kartiert Evolution entlang irreversibler Autobahnen

Forscher an der Universität Wien haben den bisher größten Vergleich von Tiergenomen auf Chromosomenebene durchgeführt und dabei enthüllt, dass die Evolution der DNA-Architektur von Tieren eher einem begrenzten Satz von einspurigen "evolutionären Autobahnen" folgt, als sich zufällig zu verändern. Die am 19. August in Science Advances veröffentlichte Studie führt ein Rahmenwerk namens evolutionäre Genom-Topologie ein, das die strukturelle Vielfalt von 5.821 Genomen aus 4.454 Arten über 19 Tierstämme hinweg auf eine einzige Karte projiziert.univie+1

Ein 600 Millionen Jahre alter Fahrplan

Alle heute lebenden Tiere stammen von einem gemeinsamen Vorfahren ab, der vor mehr als 600 Millionen Jahren existierte. Seitdem sind Chromosomen verschmolzen, gespalten und neu angeordnet worden, doch bis jetzt war es nicht möglich, diese Veränderungen über die gesamte Breite des Tierreichs hinweg zu verstehen. Die neue Studie unter der Leitung von Darrin Schultz und Oleg Simakov überwand diese Barriere, indem sie ausschließlich mit Zusammenstellungen auf Chromosomenebene arbeitete, die jedes Gen in der richtigen Reihenfolge entlang vollständiger Chromosomen platzieren, anstatt die fragmentierte "Entwurfsansicht" zu bieten, die für die meisten sequenzierten Genome typisch ist.sflorg+1

"Zum ersten Mal können wir Tausende von Genomen auf einer einzigen Karte sehen und die einzigartigen Pfade nachverfolgen, entlang derer sich die DNA von Tieren entwickelt hat", sagte Schultz, der die Arbeit als Postdoktorand in Wien durchführte und heute Assistenzprofessor an der Lehigh University ist.univie+1

Fusion mit Vermischung: Ein Einwegticket

Im Kern der Ergebnisse steht ein Prozess, den das Team "Fusion mit Vermischung" nennt. Wenn zwei ursprüngliche Chromosomen verschmelzen, vermischen sich ihre Gene dauerhaft auf eine Weise, die nicht rückgängig gemacht werden kann. Da der Prozess irreversibel ist, fungiert er als zuverlässiger Marker für gemeinsame Abstammung und drängt große Tiergruppen in distinkte, sich nicht überschneidende Regionen dessen, was die Forscher als "Genom-Architektur-Raum" bezeichnen.sflorg+1

"Das Verständnis dieser Evolutionsregeln verrät uns nicht nur etwas über die Vergangenheit", sagte Simakov. "Es erlaubt uns auch zu fragen, wohin sich die Genom-Evolution als Nächstes entwickeln könnte, und ermöglicht es uns, wichtige Maßnahmen für den Erhalt der tierischen Biodiversität zu identifizieren".univie

Implikationen für Naturschutz und zukünftige Forschung

Das Rahmenwerk markiert Linien, die einzigartige, isolierte Positionen auf der Karte einnehmen, wie etwa Glasschwämme, Mücken und Regenwürmer, deren Genom-Architektur keine enge Parallele aufweist. Solche evolutionär distinkten Organismen könnten für tiefergehende Studien oder Schutzmaßnahmen priorisiert werden. Das Team demonstrierte zudem, dass die Topologie mögliche zukünftige Richtungen der Genom-Evolution simulieren kann, was ein Werkzeug bietet, um zu erforschen, wie sich die Biodiversität weiter verändern könnte.lifescience+1