Mała ryba zadziwiła świat. Wystarczyło zajrzeć w geny i porównać z naszymi

Naukowcy dokonali odkrycia, które może zmienić nasze rozumienie ewolucji kręgowców. Genom południowoamerykańskiej ryby płucodysznej Lepidosiren paradoxa ustanowił nowy rekord wśród wszystkich zwierząt na Ziemi. Co ciekawe rybka nie jest szczególnie duża, ani nie dysponuje wyjątkowo rozbudowanym mózgiem. Jest jednak wyjątkowa z innego powodu: stanowi żywą skamielinę, która wydaje się żywcem przeniesiona z czasów, gdy ryby zaczęły przekształcać się w zwierzęta lądowe. 

Ryby płucodyszne to fascynująca grupa słodkowodnych kręgowców, które wyróżniają się niezwykłymi cechami, takimi jak zdolność do oddychania zarówno powietrzem atmosferycznym, jak i tlenem rozpuszczonym w wodzie. Mają one płetwy przypominające kończyny płazów czy gadów  oraz dobrze rozwiniętą architekturę szkieletową, co czyni je niezwykle interesującymi dla naukowców badających ewolucję kręgowców. Uważa się, że ryby te dzielą wspólnego przodka ze wszystkimi czworonożnymi kręgowcami, znanymi jako tetrapody.

Sekwencjonowanie genomu południowoamerykańskiej ryby płucodysznej, Lepidosiren paradoxa, przyniosło nowe, zaskakujące wyniki. "Z ponad 90 gigabazami (czyli 90 miliardami par zasad), DNA południowoamerykańskiej ryby płucodysznej jest największym ze wszystkich genomów zwierząt i ponad dwa razy większym od genomu poprzedniego rekordzisty, australijskiej ryby płucodysznej" mówi portalowi “Live Science" biolog ewolucyjny Axel Meyer z Uniwersytetu w Konstancji w Niemczech. "Osiemnaście z dziewiętnastu chromosomów południowoamerykańskiej ryby płucodysznej jest większych niż cały ludzki genom, który ma około 3 miliardów par zasad".

Aby uzmysłowić sobie, jak ogromny jest genom Lepidosiren paradoxa, warto podkreślić, że jego długość jest aż 30 razy większa niż ludzkiego. Co ciekawe, naukowcy naliczyli tylko około 20 000 sekwencji kodujących białka, co jest liczbą porównywalną do liczby genów w ludzkim genomie. Oznacza to, że w genomie ryby płucodysznej jest ogromna ilość "zbędnego" DNA, którego funkcja jest nadal nieznana.

Podobnie w przypadku genomu afrykańskiej ryby płucodysznej (Protopterus annectens), który również został zsekwencjonowany przez badaczy, liczba genów kodujących białka jest zbliżona do liczby genów w genomie ludzkim. Odkrycie to skłania naukowców do dalszych badań nad rolą pozostałej części genomu.

Ryby płucodyszne zawdzięczają swoją nazwę niezwykłej zdolności do oddychania powietrzem, co odróżnia je od innych gatunków ryb. Ta cecha była kluczowa dla przekształcenia się ich przodków w tetrapody, które z czasem zasiedliły lądy. Trzy linie ryb płucodysznych - afrykańska, południowoamerykańska i australijska - to jedyne, które przetrwały do dziś. Uznawane są one za żywe skamieniałości, a porównanie ich cech ewolucyjnych może pomóc w zrozumieniu jednego z najważniejszych momentów w historii ewolucji życia na Ziemi, w tym również naszej własnej linii ewolucyjnej.

Meyer, jego współkierownik badań biochemik Manfred Schartl z Uniwersytetu w Würzburgu w Niemczech oraz ich międzynarodowy zespół badawczy odkryli, że powodem ogromnego rozmiaru genomu Lepidosiren paradoxa jest duża liczba tzw. "genów skaczących", znanych również jako elementy transpozycyjne. Te sekwencje DNA mają zdolność do kopiowania się i przemieszczania po genomie, co może prowadzić zarówno do szkodliwych, jak i korzystnych zmian genetycznych.

Badania nad inną żyjącą skamieniałością, blisko spokrewnionym z rybami płucodysznymi  celakantem - wykazały, że transpozony mogły odegrać znaczącą rolę w ewolucji tetrapodów. Odkrycia dotyczące Lepidosiren paradoxa mogą dostarczyć dodatkowych wskazówek na temat tego procesu. W ciągu ostatnich 100 milionów lat, co każde 10 milionów lat, genom ryby płucodysznej zwiększał się o wielkość całego ludzkiego genomu.

Naukowcy odkryli, że niski poziom piRNA - rodzaju RNA, który normalnie hamuje aktywność transpozonów - może być przyczyną niekontrolowanego rozrostu genomu u ryb płucodysznych. "On wciąż rośnie" - mówi Meyer. "Znaleźliśmy dowody na to, że transpozony odpowiedzialne za ten wzrost są nadal aktywne".

Pomimo tego, że geny skaczące wciąż "działają" w genomie Lepidosiren paradoxa, naukowcy byli zaskoczeni stabilnością tego genomu. Okazało się, że struktura chromosomów jest wyjątkowo stabilna, a układ genów jest zachowawczy, co sprawia, że genom ten pozostaje względnie uporządkowany.

To odkrycie pozwoliło naukowcom na odtworzenie architektury chromosomów przodków ryb płucodysznych, nie tylko dla badanych trzech gatunków, ale także dla wszystkich przodków tetrapodów. Wyniki badań potwierdziły te przypuszczenia, dostarczając nam bardziej kompletnych narzędzi do zrozumienia naszej własnej ścieżki ewolucyjnej.

Badania nad genomami ryb płucodysznych pozwoliły również na zidentyfikowanie interesujących różnic między trzema badanymi gatunkami. Australijska ryba płucodyszna posiada tylko jedno płuco, nadal używa skrzeli i zachowała płetwy przypominające kończyny, które kiedyś pozwalały jej na poruszanie się po lądzie. Afrykańska i południowoamerykańska ryba płucodyszna mają bardzo zredukowane skrzela, parę płuc, a ich płetwy przekształciły się z powrotem w nitkowate wyrostki.

Przeprowadzając badania na myszach zmodyfikowanych genetycznie, tak by nosiły geny ryb płucodysznych, zespół badawczy wykazał, że cofnięcie się rozwoju kończyn było związane ze zmianami w szlaku sygnalizacyjnym Shh, który kontroluje rozwój embrionalny. Odkrycie to otwiera nowe możliwości dalszych badań.

"Genomy wszystkich trzech linii ryb płucodysznych stanowią klucz do lepszego zrozumienia, w jaki sposób procesy molekularne i rozwojowe oraz zmiany genomowe przyczyniły się do podboju lądów i ewolucji tetrapodów, jednego z głównych etapów w ewolucji kręgowców" - piszą nau kowcy w swoim artykule. 

Naukowcy planują kontynuować badania nad różnymi aspektami genomu ryb płucodysznych, aby odkryć, jak te geny skaczące wpłynęły na rozwój ich niezwykłych cech, a także jakie inne mechanizmy genetyczne mogą leżeć u podstaw ich adaptacji do życia na lądzie. Ostatecznym celem tych badań jest zrozumienie, jak złożone zmiany genetyczne prowadziły do pojawienia się tetrapodów - naszych najdalszych przodków, którzy po raz pierwszy wyszli z wody na ląd.