ممکن است یک انسان، یک اختاپوس و یک مرجان به ظاهر هیچ وجه اشتراکی نداشته باشند، اما کروموزومهای آنها همچنان حاوی قطعات قابل تشخیصی هستند که از یک جد حیوانی که بیش از ۶۰۰ میلیون سال پیش زندگی میکرده، به ارث رسیدهاند. محققان دانشگاه وین اکنون چگونگی سازماندهی مجدد این قطعات ژنومی باستانی را با تنوع یافتن حیات جانوری ردیابی کردهاند.
این مطالعه که در مجله ساینس ادونسز (Science Advances) منتشر شده است، نشان میدهد که ژنوم حیوانات از طریق تعداد نامحدودی از مسیرهای ممکن تکامل نمییابند. در عوض، تغییرات کروموزومی تمایل دارند در امتداد مجموعهای محدود از مسیرهای برگشتناپذیر حرکت کنند که محققان آنها را «بزرگراههای تکاملی» توصیف میکنند. این یافتهها همچنین ممکن است مبنای ارزشمندی برای تلاشها در جهت درک و حفظ تنوع زیستی حیوانات فراهم کند.
ردیابی بیش از ۶۰۰ میلیون سال تکامل ژنوم
هر حیوان زندهای در نهایت از یک جد مشترک که بیش از ۶۰۰ میلیون سال پیش وجود داشته، نشأت میگیرد. از آن زمان، کروموزومها بارها با هم ادغام شده، از هم جدا شده و با ظهور دودمانهای جدید حیوانی، بازآرایی شدهاند.
اکنون هزاران ژنوم حیوانی توالییابی شدهاند، اما مقایسه تکامل بلندمدت آنها دشوار باقی مانده است. در این مطالعه، یک تیم بینالمللی به رهبری محققان دانشگاه وین، هزاران ژنوم را در یک مقایسه بزرگ مقیاس گرد هم آوردند.
اولگ سیماکوف، استاد دانشگاه وین و یکی از رهبران این مطالعه، اظهار داشت: «درک این قوانین تکامل فقط به ما در مورد گذشته نمیگوید. بلکه به ما امکان میدهد بپرسیم تکامل ژنوم ممکن است در آینده به کجا برود و اقدامات کلیدی برای حفظ تنوع زیستی حیوانات را شناسایی کنیم.»
بسیاری از ژنومهای توالییابی شده «پیشنویس» باقی میمانند. آنها میتوانند نشان دهند که یک حیوان چه ژنهایی دارد، بدون اینکه دقیقاً موقعیت آن ژنها را در امتداد کروموزومهایش نشان دهند. مونتاژهای در مقیاس کروموزومی با مرتب کردن ژنها به ترتیب صحیح در سراسر کروموزومهای کامل، جزئیات بسیار بیشتری را ارائه میدهند. تولید این مونتاژها به مراتب دشوارتر است و تنها اخیراً تعداد کافی از گونهها در این سطح تجزیه و تحلیل شدهاند تا مقایسه گستردهای در سراسر قلمرو حیوانات امکانپذیر شود.
بزرگترین مقایسه کروموزومی در سراسر درخت زندگی حیوانات
محققان بیش از ۵۸۰۰ ژنوم در مقیاس کروموزومی در دسترس عموم را که نماینده ۴۴۵۴ گونه از ۱۹ شاخه جانوری بودند، بررسی کردند. به گفته این تیم، این بزرگترین مقایسه از نوع خود در سراسر درخت زندگی حیوانات است.
برای سازماندهی چنین حجم عظیمی از اطلاعات، دانشمندان چارچوبی به نام توپولوژی ژنوم تکاملی (evolutionary genome topology) ایجاد کردند. این چارچوب تنوع عظیم ساختارهای ژنوم حیوانی را در یک نقشه واحد قرار میدهد.
این نقشه یک الگوی مهم را آشکار کرد. به نظر نمیرسد که ساختار ژنوم به صورت تصادفی تغییر کند. در عوض، دودمانهای حیوانی تمایل دارند در امتداد «بزرگراههای تکاملی» حرکت کنند. شواهد حاصل از صدها گونه زنده نشان میدهد که گروههای مختلف در زمانها و با سرعتهای مختلف در امتداد این مسیرها حرکت کرده یا از آنها خارج شدهاند.
دارین شولتز، که این کار را به عنوان محقق پسا دکترا در دانشگاه وین رهبری کرد و اکنون استادیار دانشگاه لیهای و لیهای اوشنز است، گفت: «برای اولین بار، میتوانیم هزاران ژنوم را روی یک نقشه واحد ببینیم و مسیرهای منحصر به فردی را که DNA حیوانات در امتداد آنها تکامل یافته است، ردیابی کنیم. مشاهده نقشه به طور کلی، تصویری از الگوهایی را به ما میدهد که ژنوم حیوانات در طول زمان تغییر کردهاند. و اگر نقشه را به روشی متفاوت تا کنیم، میتوانیم مقایسه کنیم که چگونه گروههای مختلف حیوانات پس از تقسیم شدن به مسیرهای تکاملی متفاوت، مسیرهای متفاوتی را از یکدیگر طی کردهاند.»
اختلاط برگشتناپذیر کروموزومی، سوابق ژنتیکی را بر جای میگذارد
نیروی اصلی پشت این الگوها، فرآیندی است که محققان قبلاً آن را «همجوشی با اختلاط» (fusion-with-mixing) نامیدهاند. این فرآیند زمانی رخ میدهد که دو کروموزوم به هم میپیوندند و ژنهای آنها با هم مخلوط میشوند. هنگامی که این اتفاق میافتد، ترتیب اصلی قابل بازیابی نیست.
این برگشتناپذیری، چنین تغییرات کروموزومی را برای بازسازی تاریخ تکاملی بسیار مفید میکند. هر رویداد یک سابقه ژنومی ماندگار بر جای میگذارد که میتواند به عنوان نشانهای از اجداد مشترک عمل کند. محققان قبلاً از این نوع شواهد برای کمک به شناسایی گروه خواهر تمام حیوانات دیگر استفاده کردهاند.
این تیم دریافت که تفاوتها در تعداد کروموزومها در میان گروههای حیوانی میتواند به دو روش اصلی ایجاد شود. کروموزومهای اجدادی میتوانند با هم ترکیب شوند یا از هم جدا شوند. در هر دو حالت، همجوشی با اختلاط میتواند دودمانهای مختلف را به مسیرهای تکاملی بسیار متفاوتی سوق دهد.
گروههای حیوانی مناطق متمایزی از ساختار ژنوم را اشغال میکنند
از آنجا که این فرآیند قابل برگشت نیست، یک انحراف عمده کروموزومی میتواند به طور دائم بر موقعیت نهایی یک دودمان در آنچه محققان آن را «فضای ساختار ژنوم» (genome-architecture space) توصیف میکنند، تأثیر بگذارد.
هنگامی که چنین تغییری («همجوشی با اختلاط») رخ میدهد، گروههای اصلی حیوانات میتوانند به مناطق متمایزی از این چشمانداز ژنومی منتقل شوند. با انباشته شدن اختلاط کروموزومی در طول زمان، دودمانها به واگرایی ادامه میدهند. این تغییرات میتوانند اثرات طولانیمدتی را در بسیاری از ژنها، از جمله ژنهای مهم درگیر در کنترل رشد، بر جای بگذارند.
توپولوژی ژنوم تکاملی به جای تکیه تنها بر توالیهای DNA، بر آرایش و ساختار ژنومها تمرکز دارد. این امر به محققان یک سیستم مختصات مشترک برای مقایسه تعداد رو به رشد ژنومهای حیوانی در مقیاس کروموزومی میدهد.
این چارچوب میتواند شناسایی دودمانهای تکاملی غیرمعمول را که شایسته مطالعه دقیقتر هستند، آسانتر کند. همچنین ممکن است به دانشمندان کمک کند تا بررسی کنند که آیا تغییرات در ساختار کروموزوم با تفاوتها در تنظیم ژن، رشد یا تنوع زیستی مرتبط است یا خیر.
شناسایی برخی از متمایزترین ژنومهای حیوانی
کاربردهای بالقوه فراتر از بازسازی تاریخ تکاملی است. برخی از کلادها (clades) بخشهای بسیار منزوی نقشه ژنوم را اشغال میکنند زیرا ساختار کروموزومی آنها شباهتهای کمی دارد.
پشهها، اسفنجهای شیشهای و کرمهای خاکی از جمله دودمانهایی هستند که به این ترتیب برجسته میشوند. با برجسته کردن گروههایی با سازماندهی ژنومی به ویژه متمایز، این چارچوب میتواند به محققان کمک کند تا حیوانات غیرمعمول تکاملی را که ممکن است شایسته توجه علمی یا حفاظتی بیشتری باشند، شناسایی کنند.
این سیستم همچنین میتواند مسیرهای احتمالی آینده تکامل ژنوم را شبیهسازی کند. این امر میتواند به دانشمندان راهی برای بررسی چگونگی ادامه تغییر ژنوم حیوانات و تنوع زیستی در طول زمان بدهد.
خلاصه
- محققان با مقایسه بیش از ۵۸۰۰ ژنوم در مقیاس کروموزومی از ۴۴۵۴ گونه در ۱۹ گروه اصلی حیوانات، اولین «نقشه» یکپارچه سازماندهی ژنوم حیوانات را ایجاد کردند. این بزرگترین تحلیل از نوع خود تا کنون است.
- نتایج نشان میدهد که ژنوم حیوانات در امتداد مجموعهای محدود از «بزرگراههای تکاملی» حرکت میکنند. ادغامها و جداییهای کروموزومی میتوانند تغییراتی ایجاد کنند که قابل برگشت نیستند و از بازگشت ژنومها به آرایشهای قبلی جلوگیری میکنند.
- نقشه جدید نشان میدهد که کدام دودمانهای حیوانی دارای ساختارهای ژنومی به ویژه غیرمعمول هستند و همچنین میتواند برای شبیهسازی مسیرهای احتمالی آینده تکامل ژنوم استفاده شود.
- محققان ممکن است از این چارچوب برای شناسایی دودمانهای غیرمعمول برای مطالعه بیشتر و آزمایش اینکه آیا تغییرات کروموزومی با تفاوتها در تنظیم ژن، رشد یا تنوع زیستی مرتبط هستند، استفاده کنند.
- این یافتهها همچنین ممکن است مبنای علمی مهمی برای حفظ تنوع زیستی حیوانات فراهم کند.
بودجه این تحقیق توسط شورای تحقیقات اروپا (برنامه تحقیق و نوآوری افق ۲۰۲۰ / اتحادیه اروپا، گرنت شماره ۹۴۵۰۲۶)، صندوق علمی اتریش (FWF، گرنت P32190) و جایزه روپرت ریدل از انجمن خانه دریا وین تأمین شده است.