Wetenschap
Genomische analyse van een soort zoöplankton stelt aannames over soortvorming en genregulatie in vraag
Als twee dieren er hetzelfde uitzien, hetzelfde eten, zich op dezelfde manier gedragen en in vergelijkbare omgevingen leven, zou je kunnen verwachten dat ze tot dezelfde soort behoren.
Een klein zoöplankton dat microscopisch kleine voedseldeeltjes over de oceaanoppervlakken scheert, betwist deze veronderstelling echter. Onderzoekers van de Universiteit van Osaka, de Universiteit van Barcelona en het Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) hebben het genoom van Oikopleura dioica uit de Seto Inland Sea, de Middellandse Zee en de Stille Oceaan rond de Okinawa-eilanden geanalyseerd. hebben talloze vragen opgeroepen over soortvorming en de rol van genlocatie in het genoom.
Hun resultaten zijn gepubliceerd in Genome Research . "Oikopleura opent nieuwe wegen voor genomisch onderzoek", zegt Dr. Charles Plessy van de Genomics and Regulatory Systems Unit bij OIST en co-eerste auteur van het artikel.
"Als modeldier stelt het ons in staat de mechanismen voor genoomveranderingen in het laboratorium te bestuderen, aangezien deze op zeer grote schaal en snelheid plaatsvinden, wat een enorme kans is."
Oikopleura dioica is een klein zoöplankton dat wereldwijd op het oceaanoppervlak leeft en dat als modelorganisme in de ontwikkelingsbiologie wordt gebruikt.
Als akkoord deelt het organisme belangrijke genetische en ontwikkelingskenmerken met gewervelde dieren, waaronder de aanwezigheid van een notochord, een koordachtige centrale zenuwbundel zoals een wervelkolom, maar zonder botten. Bovendien maakt het compacte genoom, het kleinste niet-parasitaire dierlijke genoom dat tot nu toe is gerapporteerd, grootschalige genomische analyse mogelijk.
De genomische toren van Babel
De onderzoekers werkten aan drie lijnen van Oikopleura dioica, verzameld uit drie zeeën over de hele wereld, maar hoewel de morfologische, gedrags- en ecologische kenmerken van de lijnen vrijwel hetzelfde zijn, verschillen de genomen enorm.
Beschouw het genoom als een gedeelde taal tussen alle leden van een enkele soort, opgeslagen in de kern van elke cel en die de volledige set genetisch materiaal bevat om die soort te maken. Net zoals de grammatica de rangschikking van woorden bepaalt om specifieke betekenissen over te brengen, worden ook de basiseenheden van informatie in het genoom (de genen) in relatie tot elkaar gereguleerd wanneer ze worden getranscribeerd en vertaald in de fundamentele bouwstenen van het leven, eiwitten. .
Bij genregulatie zijn meerdere factoren betrokken die van invloed zijn op de activering of snelheid van gentranscriptie, zoals andere genen, moleculen in de cel, hormonen en vele andere.
Het raadselachtige aan het Oikopleura dioica-genoom is dat de talen van de drie afstammingslijnen niet lijken overeen te komen, ondanks dat ze vrijwel identieke fysieke kenmerken hebben. Dat wil zeggen dat de 'betekenis' die door hun genen wordt geproduceerd grotendeels hetzelfde is, terwijl de genomische talen enorm van elkaar verschillen.
De onderzoekers gebruiken de term 'scrambling' om het fenomeen te beschrijven dat wordt waargenomen in Oikopleura dioica, een term die zijn oorsprong vindt in de taalkunde en een fenomeen aanduidt waarbij zinnen worden geformuleerd met behulp van een verscheidenheid aan verschillende woordvolgordes zonder enige verandering in betekenis.
Hoewel dit fenomeen niet voorkomt in het Engels (maar wel in het Japans en andere talen), zou een Engels voorbeeld zijn als de zin "het genoom van Oikopleura dioica is zeer gecodeerd" zou kunnen worden herschikt naar "zeer gecodeerd Oikopleura dioica, het genoom van is" zonder verandering van betekenis. Hoewel genomische herschikkingen bij alle soorten voorkomen, en bij een paar soorten gedurende een zeer lange tijd genoomversleuteling is waargenomen, overtreft Oikopleura dioica wat eerder voor mogelijk werd gehouden.
Evolutie in een razend tempo
De onderzoekers vergeleken de genetische sequenties van de drie afstammingslijnen, wat hen ertoe bracht te schatten dat ze ongeveer 25 miljoen jaar geleden een gemeenschappelijke voorouder deelden, waarbij de afstammingslijnen uit Barcelona en Osaka nauwer verwant waren dan de Okinawa-afstamming, die ongeveer 7 miljoen jaar uiteenliepen. geleden. Ter vergelijking:mensen verschilden 75-90 miljoen jaar geleden van muizen.
Op basis van hun fylogenetische analyses schatten de onderzoekers de snelheid van genomische herschikkingen voor verschillende soorten als een kwantificeerbare maatstaf voor hoe snel ze evolueren. Hieruit hebben de onderzoekers ontdekt dat het percentage Oikopleura dioica meer dan tien keer hoger is dan dat van vergelijkbare soorten Ciona-zeezakpijpen.
Zoals Dr. Michael J. Mansfield van de eenheid en mede-eerste auteur van het artikel het stelt:“De Oikopleura is een van de snelst evoluerende dieren ter wereld. Dieren, vooral de akkoorddieren, herschikken hun genomen normaal gesproken niet in deze mate. , met deze snelheid."
Nu al deze genoomverwisseling plaatsvindt tussen de Oikopleura dioica-lijnen, is het vanuit genomisch perspectief verbijsterend dat ze zulke vergelijkbare kenmerken kunnen behouden.
"Onze resultaten suggereren dat, hoewel de genomische organisatie belangrijk is, vooral voor zoiets complex als mensen, we de individuele genen niet mogen vergeten", suggereert Dr. Plessy. Het bestuderen van genen en genomen kan twee verschillende perspectieven op hetzelfde fenomeen bieden – zoals Dr. Mansfield het uitlegt:“Er zijn wetenschappers die anatomie bestuderen en anderen die individuele neuronen bestuderen – maar beide beantwoorden vragen over de hersenen.”
Wie vraagt dit?
Het door elkaar gooien van het genoom werpt belangrijke vragen op over de evolutie en het indelen van het leven in soorten. Aan de ene kant laten de onderzoekers zien dat zelfs als de drie afstammingslijnen van Oikopleura dioica morfologisch en functioneel vrijwel identiek zijn, hun genomen extreem vervormd zijn, wat erop zou kunnen wijzen dat ze tot verschillende soorten behoren, hoewel de onderzoekers benadrukken dat het niet hun bedoeling is om classificeer ze hier. Aan de andere kant zou de rommelige, maar analoge genexpressie kunnen waarschuwen voor een overmatig vertrouwen op genomica bij het classificeren van soorten.
Maar uiteindelijk "hebben soorten ons niet nodig. Als je mensen verwijdert, zijn de dieren hetzelfde - het maakt niet uit hoe we ze classificeren", zoals Dr. Plessy het verwoordt. In plaats daarvan is het concept van soorten veranderlijk, afhankelijk van of het voor natuurbehoudsdoeleinden is, voor wetgeving, als microbioloog of als zoöloog, of wat de reden ook is. "De vraag 'wat is een soort?' kan worden beantwoord met een andere vraag:waarom vraag je dat?"
Voor Dr. Plessy, Dr. Mansfield en hun medewerkers over de hele wereld is dit artikel het hoogtepunt van een lang proces van het cultiveren van verschillende lijnen van Oikopleura dioica en het ontwikkelen van bioinformatische hulpmiddelen die in staat zijn hun chaotische genomen te analyseren. Professor Nicholas Luscombe, hoofd van de eenheid bij OIST, is optimistisch over het onderzoekspotentieel van het onderzoek en de dieren.
"We gingen er aanvankelijk van uit dat alle Oikopleura vergelijkbare genomen zouden hebben, maar we waren verbaasd toen we zulke enorme verschillen zagen, met zoveel onderlinge verwarring. We willen Oikopleura gebruiken om meer te leren over de aard van genomische herschikkingen."
Dit is nog maar het begin:de onderzoekers zijn nog lang niet klaar met het bestuderen van het raadselachtige zoöplankton. "We hebben al zoveel geleerd van de Oikopleura, maar we moeten de volledige omvang van de diversiteit van de soort op wereldschaal nog onderzoeken", zegt Dr. Plessy.
Dr. Mansfield citeert de grote bioloog Jacques Monod met de woorden:"wat waar is voor E. coli, geldt ook voor de olifant" - met de hulpmiddelen die voor dit onderzoek zijn ontwikkeld, kunnen de teams hun aandacht nu op andere soorten richten. "We gingen hierop in met de gedachte dat alle Oikopleura dioica hetzelfde waren, maar we hebben het tegenovergestelde aangetoond. Hoe vaak geldt dat voor andere soorten, en hoeveel meer valt er te weten over de mechanismen van genoom-scrambling?"