Rannsókn frá Oxford tengir forna genatvíföldun við þróun heilans

Tveir atburðir þar sem allt genómið tvöfaldaðist, sem áttu sér stað fyrir um það bil 520 og 500 milljónum ára, veittu það erfðafræðilega hráefni sem gerði hryggdýrum kleift að þróa flókinn heila, samkvæmt rannsókn sem birt var á miðvikudaginn í Nature.biology.ox+1

Rannsóknin, sem leidd var af Oxford-háskóla, hjálpar til við að leysa langvarandi deilu um hvort fjölbreytileiki heilafrumugerða hafi sprottið af sjaldgæfum tvöföldunum á öllu genóminu eða af smám saman, smærri erfðafræðilegum breytingum. Með því að bera saman genavirkni í einstökum heilafrumum hjá fimm tegundum — mönnum, músum, eðlum, steinsugum og tálknmunnum, sem eru einn nánasti hryggleysi ættingi hryggdýra — endurgerði teymið hvernig heilafrumugerðir þróuðust í gegnum djúpan tíma.phys+1

Erfðafræðilegt verkfærasett fyrir heilafrumur

Vísindamennirnir komust að því að margar af helstu fjölskyldum frumugerða í heila hryggdýra komu fram eftir genómtvöföldun hjá sameiginlegum forföður hryggdýra fyrir um 520 milljónum ára, þar sem önnur tvöföldun fyrir um 500 milljónum ára byggði ofan á þann grunn.phys+1

„Niðurstöður okkar leiða í ljós að tveir atburðir genatvíföldunar voru grundvallaratriði í því að gera þróun flókinna heila mögulega,“ sagði yfirhöfundurinn, prófessor Sebastian Shimeld við líffræðideild Oxford. „Með því að tvöfalda hvert gen í genóminu fékk náttúran hráefni sem hægt var að endurnýta til að byggja upp nýjar gerðir heilafrumna.“biology.ox+1

Genapör sem varðveittust frá þessum tvöföldunum — þekkt sem „ohnologues“ — reyndust óhóflega mikilvæg við að skilgreina ólíkar gerðir heilafrumna. Þessi gen voru líklegri til að vera virk í tilteknum heilafrumum en gen sem tvöfölduðust með öðrum aðferðum, og voru sérstaklega auðguð fyrir stjórnunarhlutverk sem stýra því hvernig mismunandi frumugerðir þroskast og starfa.phys+1

Ekki ný hlutverk, heldur skipt hlutverk

Í stað þess að þróa með sér algjörlega ný hlutverk, skiptu flest tvöfölduð gen hlutverkum forfeðranna á milli sín, sem hjálpaði til við að fínstilla fjölbreytileika heilafrumugerða. Í einfaldari dýrum eins og tálknmunnum eru lykil-stjórnunargen víðtækt virk í frumum; hjá hryggdýrum eru tvöfaldaðar útgáfur af þessum genum notaðar í mismunandi frumugerðum, sem stofnar til ólíkra frumueinkenna.biology.ox

Áhrif þessara fornu atburða náðu langt út fyrir snemma þróun hryggdýra. Teymið sýndi fram á að gen frá tvöföldunum héldu áfram að skilgreina nýjar heilafrumugerðir — þar á meðal þær í gráa efni litla heila — í hundruð milljóna ára á eftir.phys+1

Varanleg arfleifð

Meðhöfundur rannsóknarinnar, prófessor Peter Holland, dró saman umfang niðurstaðnanna: „Gagnagreiningarnar voru ótrúlega flóknar — mikil virðing til doktorsnemans Yuanzhen Zhu — en niðurstaðan er skýr: nýjar heilafrumur þurftu ný gen. Og ekki bara hvaða gen sem er — þetta voru aukagenin sem urðu til við slysni í DNA-tvöföldun áður en fyrsti fiskurinn synti í sjónum.“biology.ox