Μελέτη της Οξφόρδης συνδέει αρχαίους διπλασιασμούς γονιδίων με την εξέλιξη του εγκεφάλου

Δύο γεγονότα διπλασιασμού ολόκληρου του γονιδιώματος που συνέβησαν περίπου πριν από 520 και 500 εκατομμύρια χρόνια παρείχαν το γενετικό υλικό που επέτρεψε στα σπονδυλωτά να εξελίξουν τους πολύπλοκους εγκεφάλους τους, σύμφωνα με έρευνα που δημοσιεύθηκε την Τετάρτη στο περιοδικό Nature.biology.ox+1

Η μελέτη, με επικεφαλής το Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης, συμβάλλει στην επίλυση μιας μακροχρόνιας συζήτησης σχετικά με το αν η ποικιλομορφία των τύπων εγκεφαλικών κυττάρων προέκυψε από σπάνια γεγονότα διπλασιασμού ολόκληρου του γονιδιώματος ή από πιο σταδιακές, μικρής κλίμακας γενετικές αλλαγές. Συγκρίνοντας τη γονιδιακή δραστηριότητα σε μεμονωμένα εγκεφαλικά κύτταρα σε πέντε είδη — ανθρώπους, ποντίκια, σαύρες, λάμπραινες και αμφίοξους, έναν από τους πλησιέστερους ασπόνδυλους συγγενείς των σπονδυλωτών — η ομάδα ανασύνθεσε τον τρόπο με τον οποίο εξελίχθηκαν οι τύποι των εγκεφαλικών κυττάρων στο βάθος του χρόνου.phys+1

Μια γενετική εργαλειοθήκη για τα εγκεφαλικά κύτταρα

Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι πολλές από τις κύριες οικογένειες κυτταρικών τύπων στους εγκεφάλους των σπονδυλωτών εμφανίστηκαν μετά από έναν διπλασιασμό του γονιδιώματος στον κοινό πρόγονο των σπονδυλωτών πριν από περίπου 520 εκατομμύρια χρόνια, με έναν δεύτερο διπλασιασμό περίπου 500 εκατομμύρια χρόνια πριν να χτίζει πάνω σε αυτό το θεμέλιο.phys+1

"Τα ευρήματά μας αποκαλύπτουν ότι δύο γεγονότα γενετικού διπλασιασμού ήταν θεμελιώδη για την εξέλιξη πολύπλοκων εγκεφάλων", δήλωσε ο ανώτερος συγγραφέας, καθηγητής Sebastian Shimeld από το Τμήμα Βιολογίας της Οξφόρδης. "Διπλασιάζοντας κάθε γονίδιο στο γονιδίωμα, η φύση απέκτησε πρώτη ύλη που θα μπορούσε να επαναχρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία νέων τύπων εγκεφαλικών κυττάρων".biology.ox+1

Τα ζεύγη γονιδίων που διατηρήθηκαν από αυτούς τους διπλασιασμούς — γνωστά ως "ohnologues" — αποδείχθηκε ότι εμπλέκονται δυσανάλογα στον καθορισμό διακριτών τύπων εγκεφαλικών κυττάρων. Αυτά τα γονίδια ήταν πιο πιθανό να είναι ενεργά σε συγκεκριμένα εγκεφαλικά κύτταρα από ό,τι γονίδια που διπλασιάστηκαν μέσω άλλων μηχανισμών, και ήταν ιδιαίτερα εμπλουτισμένα για ρυθμιστικούς ρόλους που ελέγχουν τον τρόπο με τον οποίο αναπτύσσονται και λειτουργούν οι διαφορετικοί κυτταρικοί τύποι.phys+1

Όχι νέες λειτουργίες, αλλά επιμερισμένες

Αντί να εξελίξουν εντελώς νέες λειτουργίες, τα περισσότερα διπλασιασμένα γονίδια μοίρασαν τους ρόλους του προγονικού τους γονιδίου μεταξύ τους, βοηθώντας στη βελτιστοποίηση της ποικιλομορφίας των τύπων εγκεφαλικών κυττάρων. Σε απλούστερα ζώα όπως ο αμφίοξος, βασικά ρυθμιστικά γονίδια είναι ευρέως ενεργά σε όλα τα κύτταρα· στα σπονδυλωτά, διπλασιασμένες εκδοχές αυτών των γονιδίων χρησιμοποιούνται σε διαφορετικούς κυτταρικούς τύπους, καθιερώνοντας διακριτές κυτταρικές ταυτότητες.biology.ox

Ο αντίκτυπος αυτών των αρχαίων γεγονότων επεκτάθηκε πολύ πέρα από την πρώιμη εξέλιξη των σπονδυλωτών. Η ομάδα έδειξε ότι τα γονίδια από τους διπλασιασμούς συνέχισαν να καθορίζουν νέους τύπους εγκεφαλικών κυττάρων — συμπεριλαμβανομένων εκείνων στη φαιά ουσία της παρεγκεφαλίδας — για εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια μετά.phys+1

Μια διαρκής κληρονομιά

Ο συν-συγγραφέας της μελέτης, καθηγητής Peter Holland, συνόψισε το εύρος των ευρημάτων: "Οι αναλύσεις δεδομένων ήταν απίστευτα περίπλοκες — αξίζουν συγχαρητήρια στον μεταπτυχιακό φοιτητή Yuanzhen Zhu — αλλά το συμπέρασμα είναι σαφές: τα νέα εγκεφαλικά κύτταρα χρειάζονταν νέα γονίδια. Και όχι οποιαδήποτε γονίδια — αυτά ήταν τα επιπλέον γονίδια που προέκυψαν από τον τυχαίο διπλασιασμό του DNA πριν το πρώτο ψάρι κολυμπήσει στη θάλασσα".biology.ox