Jak emus i strusie stracił zdolność do latania

Ewolucyjne poprawki do DNA, który szefuje geny wokół może mieć uziemione niektóre ptaki.

Nowe analizy genetyczne pokazują, że mutacje w regulacyjnym DNA spowodowały ptaków bezgrzebieniowych stracić zdolność do latania do pięciu oddzielnych razy w ciągu ich ewolucji, naukowcy raport w kwietniu 5 Science. Ratites obejmują emus, strusie, kiwi, reas, cassowaries, tinamous i wymarłych moa i ptaków słoniowych. Tylko tinamous może latać.

Regulacyjne DNA otrzymuje swoją nazwę, ponieważ jest zaangażowane w regulowanie, kiedy i gdzie geny są włączane i wyłączane. Nie zawiera ono instrukcji do tworzenia białek. Naukowcy od dawna debatowali nad tym, czy duże zmiany ewolucyjne, takie jak zdobywanie lub tracenie cech takich jak lot, zachodzą głównie z powodu mutacji genów tworzących białka związane z cechą, czy też wynikają głównie z poprawek w bardziej tajemniczym regulacyjnym DNA.

Odkrycie znaczenia regulacyjnego DNA w kształtowaniu ewolucji mogłoby rzucić światło na to, jak blisko spokrewnione gatunki z tymi samymi genami, takie jak szympansy i ludzie lub moa i tinamous, mogą rozwijać ogromnie różne wyglądy i zdolności.

Naukowcy mają tendencję do podkreślania znaczenia zmian w kodowaniu białek wpływających na ewolucję różnych cech u wielu organizmów. Przykłady są stosunkowo łatwe do znalezienia. Na przykład wcześniejsze badanie bezlotnych kormoranów z Galapagos sugerowało, że mutacje w jednym genie skurczyły ptakom skrzydła (SN: 6/11/16, s. 11).

Ogólnie, mutacje, które zmieniają białka są prawdopodobnie bardziej szkodliwe niż zmiany w regulacyjnym DNA, a zatem łatwiejsze do zauważenia, mówi Camille Berthelot, genetyk ewolucyjny we francuskim narodowym instytucie badań medycznych INSERM w Paryżu. Białko może być zaangażowany w wiele procesów biologicznych w całym organizmie. „Więc wszędzie tam, gdzie to białko jest, będą konsekwencje,” mówi.

Dla kontrastu, wiele kawałków DNA może być zaangażowanych w regulację aktywności genu, a każdy z nich może działać tylko w jednym lub kilku rodzajach tkanek. To zmniejsza szkody, które zmiana jednego segmentu regulacyjnego może mieć, czyniąc te kawałki DNA łatwymi celami dla eksperymentów ewolucji. Ale jednocześnie sprawia, że znacznie trudniej jest określić, kiedy regulacyjne DNA jest rzeczywiście zaangażowane w duże zmiany ewolucyjne, mówi genetyk ewolucyjny Megan Phifer-Rixey z Monmouth University w West Long Branch, N.J. Te kawałki DNA nie wszystkie wyglądają tak samo i mogły się bardzo zmienić w zależności od gatunku.

Biolog ewolucyjny Scott Edwards z Uniwersytetu Harvarda i współpracownicy ominęli ten problem, rozszyfrowując genetyczne instrukcje, czyli genomy, 11 gatunków ptaków, z których osiem jest bezlotnych. Następnie badacze umieścili te genomy obok już skompletowanych genomów ptaków, w tym strusia, białogrzbietego tinamous, brązowego kiwi z Wyspy Północnej oraz pingwinów cesarskich i Adelie, a także 25 gatunków ptaków latających.

Badacze szukali odcinków regulacyjnego DNA, które nie zmieniły się zbytnio w trakcie ewolucji ptaków, co wskazuje na to, że DNA pełni ważną funkcję. Wśród 284 001 wspólnych, stosunkowo niezmiennych odcinków regulacyjnego DNA, badacze znaleźli 2 355, które nagromadziły więcej mutacji niż oczekiwano u ptaków bezgrzebieniowych, ale nie u innych ptasich linii. Mnogość mutacji wskazuje, że te fragmenty regulacyjnego DNA ewoluują szybciej niż inne części genomu i mogły utracić swoje pierwotne funkcje. Śledzenie, kiedy nastąpiło przyspieszenie ewolucji, doprowadziło badaczy do wniosku, że bezgrzebieniowce straciły możliwość lotu co najmniej trzy razy, a być może nawet pięć razy.

Te regulacyjne kawałki DNA miały tendencję do znajdowania się w pobliżu genów zaangażowanych w rozwój kończyn, co wskazuje, że mogą one podkręcać aktywność genów, aby produkować mniejsze skrzydła. Zespół przetestował zdolność jednego z takich regulacyjnych bitów DNA, zwanego enhancerem, do włączania genu w rozwijających się zarodkowych skrzydłach kurczaka. Wersja enhancera pochodząca od elegancko zagnieżdżonego tinamousa, który potrafi latać, włączyła gen, ale wersja tego samego enhancera pochodząca od bezskrzydłego rhea nie włączyła go. Wynik ten wskazuje, że zmiany w tym enhancerze wyłączyły jego funkcję rozwoju skrzydeł i mogły przyczynić się do bezlotu u rei, twierdzą naukowcy.

Jedną z obecnych hipotez, dlaczego bezgrzebieniowce, z wyjątkiem tinamous, są bezlotne, jest to, że przodek wszystkich gatunków stracił zdolność latania, a tinamous później ją odzyskał. „Nie sądzimy, by było to bardzo prawdopodobne” – mówi Edwards. Raczej, przodek bezgrzebieniowców prawdopodobnie mógł latać i tinamous zachował tę zdolność, podczas gdy pokrewne ptaki straciły zdolność, głównie z powodu zmian w regulacyjnym DNA, mówi. „Moje przeczucie jest takie, że stosunkowo łatwo jest stracić lot”, mówi.

Aside z w przodka ptaków, lot ewoluował tylko kilka razy: w pterozaurów, w nietoperzy, a może kilka razy w owadów, Edwards mówi. Ptaki straciły lot wiele razy. Nie ma żadnych znanych przykładów odzyskania lotu po jego utracie, mówi.

Badacze odkryli również, że ponad 200 genów kodujących białka ewoluowało – budując mutacje – szybciej niż oczekiwano u pozbawionych lotu bezgrzebieniowców, ale te geny miały tendencję do bycia związanymi z metabolizmem, a nie kurczącymi się skrzydłami. Te zmiany kodujące białka nie są tak ważne dla utraty lotu, jak zmiany regulacyjne DNA, podsumowują naukowcy.

Dowody te nie przekonują biologa ewolucyjnego Luisy Pallares z Princeton University. „Ten papier gra w starą grę”, mówi, uderzając regulacyjne zmiany DNA przeciwko kodującym białka te dla ewolucyjnego znaczenia. „Ja osobiście nie widzę sensu w robieniu tego”. Oba się zdarzają i mogą być równie ważne w kształtowaniu ewolucji, mówi.

.