Modificările evolutive ale ADN-ului care dirijează genele ar fi putut pune la pământ unele păsări.
Noi analize genetice arată că mutații în ADN-ul reglator au făcut ca păsările ratite să-și piardă capacitatea de a zbura de până la cinci ori diferite de-a lungul evoluției lor, raportează cercetătorii în Science din 5 aprilie. Păsările ratite includ emu, struți, kiwi, rheas, casuari, tinichele și păsările moa și elefant dispărute. Doar tinamusul poate zbura.
ADN-ul reglator își primește numele pentru că este implicat în reglarea momentului și locului în care genele sunt activate și dezactivate. Nu conține instrucțiuni pentru fabricarea proteinelor. Cercetătorii au dezbătut mult timp dacă marile schimbări evolutive, cum ar fi obținerea sau pierderea unei trăsături precum zborul, apar în principal din cauza mutațiilor genelor producătoare de proteine legate de trăsătura respectivă, sau rezultă în principal din modificări ale ADN-ului reglator, mai misterios.
Înscrieți-vă pentru cele mai recente știri din Science News
Capitole și rezumate ale celor mai recente articole din Science News, livrate în căsuța dvs. poștală
Descoperirea importanței ADN-ului reglator în modelarea evoluției ar putea arunca lumină asupra modului în care specii strâns înrudite cu aceleași gene, cum ar fi cimpanzeii și oamenii sau moaștele și tinichelele, pot dezvolta aspecte și abilități foarte diferite.
Cercetătorii au avut tendința de a sublinia importanța modificărilor de codificare a proteinelor care afectează evoluția diferitelor trăsături în multe organisme. Exemplele sunt relativ ușor de găsit. De exemplu, un studiu anterior asupra cormoranilor de Galápagos care nu zboară a sugerat că mutațiile unei singure gene au micșorat aripile păsărilor (SN: 6/11/16, p. 11).
În general, mutațiile care modifică proteinele sunt susceptibile de a fi mai dăunătoare decât modificările ADN-ului reglator și, prin urmare, mai ușor de depistat, spune Camille Berthelot, genetician evoluționist la institutul național francez de cercetare medicală INSERM din Paris. O proteină poate fi implicată în multe procese biologice din întregul organism. „Deci, oriunde se află această proteină , vor exista consecințe”, spune ea.
În schimb, multe bucăți de ADN pot fi implicate în reglarea activității unei gene, iar fiecare poate funcționa doar într-unul sau câteva tipuri de țesut. Acest lucru reduce pagubele pe care le-ar putea avea modificarea unui segment de reglementare, ceea ce face ca aceste bucăți de ADN să fie ținte ușoare pentru experimentele evoluției. Dar, în același timp, acest lucru face, de asemenea, mult mai dificilă determinarea momentului în care ADN-ul reglator este de fapt implicat în mari schimbări evolutive, spune geneticianul evoluționist Megan Phifer-Rixey de la Universitatea Monmouth din West Long Branch, N.J. Aceste bucăți de ADN nu arată toate la fel și s-ar putea să se fi schimbat foarte mult de la o specie la alta.
Biologul evoluționist Scott Edwards de la Universitatea Harvard și colegii săi au ocolit această problemă descifrând cărțile de instrucțiuni genetice, sau genomurile, a 11 specii de păsări, opt dintre ele fără zbor. Cercetătorii au aliniat apoi aceste genomuri alături de genomurile deja completate ale unor păsări, printre care se numără struții, tinichelele cu gât alb, kiwi maro din Insula de Nord și pinguinii împărat și Adélie, precum și 25 de specii de păsări zburătoare.
Cercetătorii au căutat porțiuni de ADN reglator care nu s-au schimbat prea mult pe parcursul evoluției păsărilor, un indiciu că ADN-ul îndeplinește o funcție importantă. Printre cele 284.001 porțiuni de ADN regulator comune, relativ neschimbate, cercetătorii au găsit 2.355 care au acumulat mai multe mutații decât se așteptau la păsările ratite, dar nu și la alte linii de păsări. Pleiada de mutații indică faptul că acele bucăți de ADN reglator evoluează mai repede decât alte părți ale genomului și este posibil să își fi pierdut funcțiile inițiale. Urmărind momentul în care au avut loc accelerările evolutive, cercetătorii au ajuns la concluzia că ratitele și-au pierdut zborul de cel puțin trei ori și, posibil, de până la cinci ori.
Aceste bucăți de ADN reglator au avut tendința de a fi localizate în apropierea genelor implicate în dezvoltarea membrelor, un indiciu că ar putea modifica activitatea genelor pentru a produce aripi mai mici. Echipa a testat capacitatea unui astfel de bit de ADN reglator, numit enhancer, de a activa o genă în dezvoltarea aripilor embrionare de pui. O versiune a amplificatorului de la tinicheaua cu creastă elegantă – care poate zbura – a activat gena, dar o versiune a aceluiași amplificator de la rhea mare, care nu poate zbura, nu a făcut acest lucru. Acest rezultat indică faptul că modificările acelui potențiator au dezactivat funcția sa de dezvoltare a aripilor și ar fi putut contribui la lipsa zborului la rhea, spun cercetătorii.
O ipoteză actuală pentru motivul pentru care ratitele, cu excepția tinamous, nu pot zbura este că strămoșul tuturor speciilor a pierdut capacitatea de a zbura, iar tinamous a redobândit-o mai târziu. „Pur și simplu nu credem că acest lucru este foarte plauzibil”, spune Edwards. Mai degrabă, strămoșul ratitelor probabil că putea să zboare, iar tinamous a păstrat această abilitate, în timp ce păsările înrudite au pierdut această abilitate, în principal din cauza unor schimbări în ADN-ul reglator, spune el. „Bănuiala mea este că este relativ ușor să pierzi zborul”, spune el.
În afară de în strămoșul păsărilor, zborul a evoluat doar de câteva ori: la pterozauri, la lilieci și poate de câteva ori la insecte, spune Edwards. Păsările au pierdut zborul de mai multe ori. Nu există exemple cunoscute de redobândire a zborului după ce acesta a fost pierdut, spune el.
Cercetătorii au descoperit, de asemenea, că mai mult de 200 de gene codificatoare de proteine evoluau – acumulând mutații – mai repede decât se așteptau la ratitele care nu zburau, dar aceste gene aveau tendința de a fi legate de metabolism, mai degrabă decât de micșorarea aripilor. Aceste modificări de codificare a proteinelor nu sunt la fel de importante pentru pierderea zborului ca modificările ADN-ului de reglementare, concluzionează cercetătorii.
Dovezile nu îl conving pe biologul evoluționist Luisa Pallares de la Universitatea Princeton. „Această lucrare joacă un joc vechi”, spune ea, opunând modificările ADN de reglementare celor care codifică proteine în ceea ce privește importanța evolutivă. „Personal, nu văd rostul de a face asta”. Ambele se întâmplă și pot fi la fel de importante în modelarea evoluției, spune ea.