Evoluční úpravy DNA, které šéfují genům, možná uzemnily některé ptáky.
Nové genetické analýzy ukazují, že mutace v regulační DNA způsobily, že ptáci z řádu běžců ztratili během své evoluce schopnost létat až pětkrát, uvádějí vědci v časopise Science z 5. dubna. Mezi krysáky patří emu, pštrosi, kiwi, rejsci, kasuáři, tinamové a vymřelí ptáci moa a sloni. Pouze tinamové umí létat.
Regulační DNA dostala své jméno proto, že se podílí na regulaci toho, kdy a kde se geny zapínají a vypínají. Neobsahuje instrukce pro tvorbu proteinů. Vědci dlouho diskutovali o tom, zda k velkým evolučním změnám, jako je získání nebo ztráta vlastnosti, jako je létání, dochází převážně v důsledku mutací genů pro tvorbu bílkovin vázaných na tuto vlastnost, nebo jsou výsledkem především úprav záhadnější regulační DNA.
Přihlaste se k odběru novinek ze Science News
Hlavičky a souhrny nejnovějších článků z Science News, které vám budou doručeny do schránky
Odhalení významu regulační DNA při utváření evoluce by mohlo objasnit, jak se u blízce příbuzných druhů se stejnými geny, jako jsou šimpanzi a lidé nebo moa a tinamus, mohou vyvinout značně odlišné vzhledy a schopnosti.
Vědci mají tendenci zdůrazňovat význam změn v kódování proteinů, které ovlivňují evoluci různých znaků u mnoha organismů. Příklady lze najít poměrně snadno. Například dřívější studie nelétavých kormoránů galapážských naznačila, že mutace v jediném genu zmenšily ptákům křídla (SN: 6. 11. 2016, s. 11).
Všeobecně platí, že mutace, které mění proteiny, jsou pravděpodobně škodlivější než změny regulační DNA, a proto je snadnější je odhalit, říká Camille Berthelot, evoluční genetik z francouzského národního lékařského výzkumného ústavu INSERM v Paříži. Jeden protein se může podílet na mnoha biologických procesech v celém těle. „Takže všude, kde se tento protein nachází , to bude mít následky,“ říká.
Naproti tomu na regulaci aktivity genu se může podílet mnoho částí DNA a každá z nich může fungovat pouze v jednom nebo několika málo typech tkání. To snižuje škody, které by mohla mít změna jednoho regulačního úseku, a činí z těchto kousků DNA snadné cíle pro evoluční experimenty. Zároveň je však mnohem těžší určit, kdy se regulační DNA skutečně podílí na velkých evolučních změnách, říká evoluční genetička Megan Phifer-Rixeyová z Monmouth University ve West Long Branch ve státě New Jersey.
Evoluční biolog Scott Edwards z Harvardovy univerzity a jeho kolegové tento problém obešli rozluštěním genetických instrukcí neboli genomů 11 druhů ptáků, z nichž osm je nelétavých. Tyto genomy pak vědci zařadili vedle již hotových genomů ptáků, mezi něž patří pštrosi, bělokrcí tinamové, kiwi hnědí ze Severního ostrova a tučňáci císařští a Adélie, jakož i 25 druhů létajících ptáků.
Výzkumníci hledali úseky regulační DNA, které se v průběhu evoluce ptáků příliš nezměnily, což svědčí o tom, že DNA plní důležitou funkci. Mezi 284 001 sdílenými, relativně neměnnými úseky regulační DNA nalezli vědci 2 355 úseků, v nichž se nahromadilo více mutací, než se očekávalo u bachyňovitých ptáků, ale ne u jiných ptačích linií. Množství mutací naznačuje, že tyto úseky regulační DNA se vyvíjejí rychleji než jiné části genomu a mohly ztratit své původní funkce. Sledování, kdy došlo k evolučnímu zrychlení, vedlo vědce k závěru, že krysáci ztratili let nejméně třikrát a možná až pětkrát.
Tyto regulační kousky DNA se obvykle nacházely v blízkosti genů podílejících se na vývoji končetin, což naznačuje, že by mohly upravovat aktivitu genů tak, aby vznikla menší křídla. Tým testoval schopnost jednoho takového regulačního kousku DNA, nazývaného enhancer, zapnout gen ve vyvíjejících se embryonálních kuřecích křídlech. Verze enhanceru z tinamuse elegantního, který umí létat, gen zapnula, ale verze téhož enhanceru z nelétavé rey velké ne. Tento výsledek naznačuje, že změny v tomto enhanceru vyřadily jeho funkci při vývoji křídel a mohly přispět k nelétavosti rehků, tvrdí vědci.
Jednou ze současných hypotéz, proč jsou krysáci, s výjimkou tinamusů, nelétaví, je, že předek všech druhů schopnost létat ztratil a tinamusové ji později získali zpět. „My si prostě myslíme, že to není příliš pravděpodobné,“ říká Edwards. Spíše je pravděpodobné, že předek krysáků létat uměl a tinamous si tuto schopnost zachoval, zatímco příbuzní ptáci tuto schopnost ztratili, většinou kvůli změnám v regulační DNA, říká. „Tuším, že o létání se dá přijít poměrně snadno,“ říká.
Kromě předka ptáků se let vyvinul jen několikrát: u pterosaurů, netopýrů a možná párkrát u hmyzu, říká Edwards. Ptáci o let přišli vícekrát. Neexistují žádné známé příklady obnovení letu poté, co byl ztracen, říká.“
Výzkumníci také zjistili, že více než 200 genů kódujících bílkoviny se vyvíjelo – hromadilo mutace – rychleji, než se u nelétavých krys očekávalo, ale tyto geny měly tendenci souviset spíše s metabolismem než se zmenšováním křídel. Tyto změny kódující proteiny nejsou pro ztrátu letu tak důležité jako regulační změny DNA, uzavírají vědci.
Důkazy nepřesvědčují evoluční bioložku Luisu Pallaresovou z Princetonské univerzity. „Tento článek hraje starou hru,“ říká, když staví regulační změny DNA proti změnám kódujícím proteiny z hlediska evolučního významu. „Osobně v tom nevidím smysl.“ Obojí se děje a může být stejně důležité při utváření evoluce, říká.