Hur emus och strutsar förlorade förmågan att flyga

Evolutionära justeringar av DNA som styr generna kan ha gjort att vissa fåglar fick flygförbud.

Nya genetiska analyser visar att mutationer i reglerande DNA gjorde att ratitefåglar förlorade förmågan att flyga upp till fem olika gånger under sin evolution, rapporterar forskare i Science den 5 april. Till ratiter hör emus, strutsar, kiwis, näsor, kasuarier, tinamusfåglar och utdöda moa- och elefantfåglar. Endast tinamous kan flyga.

Regulatoriskt DNA har fått sitt namn eftersom det är inblandat i regleringen av när och var gener slås på och av. Det innehåller inga instruktioner för att tillverka proteiner. Forskare har länge diskuterat om stora evolutionära förändringar, t.ex. att få eller förlora en egenskap som flygning, huvudsakligen sker på grund av mutationer i proteinskapande gener som är knutna till egenskapen, eller om de huvudsakligen beror på ändringar i det mer mystiska regulatoriska DNA.

Att avslöja betydelsen av reglerande DNA för att forma evolutionen skulle kunna kasta ljus över hur närbesläktade arter med samma gener, som t.ex. schimpanser och människor eller moas och tinamus, kan utveckla vitt skilda utseenden och förmågor.

Vetenskapsmän har tenderat att betona betydelsen av proteinkodande förändringar som påverkar utvecklingen av olika egenskaper hos många organismer. Det är relativt lätt att hitta exempel. Till exempel tyder en tidigare studie av flyglösa Galápagosskarvar på att mutationer i en enda gen krympte fåglarnas vingar (SN: 6/11/16, s. 11).

I allmänhet är mutationer som förändrar proteiner troligen mer skadliga än förändringar i reglerande DNA, och därmed lättare att upptäcka, säger Camille Berthelot, evolutionär genetiker vid det franska nationella medicinska forskningsinstitutet INSERM i Paris. Ett protein kan vara inblandat i många biologiska processer i hela kroppen. ”Så överallt där det här proteinet finns kommer det att få konsekvenser”, säger hon.

Däremot kan många delar av DNA vara inblandade i regleringen av en genaktivitet, och var och en av dem kan fungera i endast en eller ett fåtal typer av vävnader. Det minskar den skada som en ändring av ett reglerande segment kan ha, vilket gör dessa bitar av DNA till lätta mål för evolutionens experiment. Men samtidigt gör det också att det blir mycket svårare att avgöra när reglerande DNA faktiskt är inblandat i stora evolutionära förändringar, säger evolutionsgenetikern Megan Phifer-Rixey vid Monmouth University i West Long Branch, N.J. Dessa delar av DNA ser inte alla likadana ut och kan ha förändrats mycket från art till art.

Evolutionsbiologen Scott Edwards vid Harvard University och hans kollegor kringgick det problemet genom att dechiffrera de genetiska instruktionsböckerna, eller genomerna, hos elva fågelarter, varav åtta är flyglösa. Forskarna radade sedan upp dessa genomer tillsammans med redan färdiga genomer från fåglar som strutsar, vitstrukna tinamusar, bruna kiwis från Nordön, kejsar- och adéliepingviner samt 25 flygande fågelarter.

Forskarna letade efter sträckor av reglerande DNA som inte hade förändrats särskilt mycket under fåglarnas evolution, vilket är en indikation på att DNA:t utför en viktig funktion. Bland 284 001 gemensamma, relativt oförändrade sträckor av reglerande DNA hittade forskarna 2 355 sträckor som hade ackumulerat fler mutationer än förväntat hos ratitefåglar, men inte hos andra fågellinjer. Den stora mängden mutationer tyder på att dessa bitar av reglerande DNA utvecklas snabbare än andra delar av genomet och kan ha förlorat sina ursprungliga funktioner. Att spåra när de evolutionära accelerationerna inträffade ledde forskarna till slutsatsen att ratiter förlorade flygningen minst tre gånger och möjligen så många som fem gånger.

Dessa reglerande DNA-bitar tenderade att ligga nära gener som är involverade i utvecklingen av lemmar, vilket är en indikation på att de skulle kunna justera genaktiviteten för att producera mindre vingar. Teamet testade förmågan hos en sådan reglerande DNA-bit, som kallas enhancer, att aktivera en gen i embryonala kycklingvingar under utveckling. En version av enhancern från den eleganta tinamusen – som kan flyga – aktiverade genen, men en version av samma enhancer från den flyglösa större rhea gjorde det inte. Detta resultat tyder på att förändringar i denna enhancer inaktiverade dess funktion för utveckling av vingar och kan ha bidragit till flyglösheten hos näsan, säger forskarna.

En nuvarande hypotes för varför näsan, utom tinamous, är flyglös är att förfadern till alla arterna hade förlorat förmågan att flyga, och att tinamous senare återfick den. ”Vi tror helt enkelt inte att det är särskilt troligt”, säger Edwards. Snarare är det så att ratitternas förfader förmodligen kunde flyga och att tinamous behöll den förmågan, medan besläktade fåglar förlorade förmågan, mestadels på grund av förändringar i det reglerande DNA:t, säger han. ”Min föraning är att det är relativt lätt att förlora flygförmågan”, säger han.

Bortsett från i fåglarnas anfader har flygning utvecklats endast ett fåtal gånger: hos pterosaurier, hos fladdermöss och kanske ett par gånger hos insekter, säger Edwards. Fåglar har förlorat flygningen flera gånger. Det finns inga kända exempel på att flygning återvinns när den väl har gått förlorad, säger han.

Forskarna fann också att mer än 200 proteinkodande gener utvecklades – byggde upp mutationer – snabbare än förväntat hos flyglösa ratiter, men dessa gener tenderade att vara relaterade till ämnesomsättning snarare än till krympande vingar. Dessa proteinkodande förändringar är inte lika viktiga för förlusten av flygning som de reglerande DNA-förändringarna, konstaterar forskarna.

Bevisen övertygar inte evolutionsbiologen Luisa Pallares vid Princeton University. ”Den här artikeln spelar ett gammalt spel”, säger hon, där man ställer regulatoriska DNA-förändringar mot proteinkodande förändringar i fråga om evolutionär betydelse. ”Personligen ser jag ingen mening med att göra det.” Båda sker och kan vara lika viktiga för att forma evolutionen, säger hon.