Mappatura genetica, espressione e ruolo di HOXD11B nello sviluppo della spina dorsale spinarello. un , Gasterosteo mappatura croce. b , Risultati della scansione QTL per il numero del dorso e la lunghezza del dorso. x asse:Gasterosteus cromosomi; e asse:punteggio LOD per il tratto della colonna vertebrale tre contro quattro (in alto), lunghezza di DS2 (in basso). Il picco QTL sul cromosoma 6 include HOXDB cluster (diagramma genico in basso, barra della scala, 1 kb). Il picco sul cromosoma 4 include EDA-MSX2A-STC2A cluster descritto altrove. Linee tratteggiate:soglie di significatività dell'intero genoma dai test di permutazione. c , Integrazione del reporter GFP utilizzando CRISPR–Cas9 a monte del HOXD11B endogeno locus della colonna vertebrale bassa Gasterosteus . Plasmide:grigio; eGFP:verde; promotore hsp70 basale:blu; luogo cromosomico:nero. Barra della scala, 100 bp. TSS, sito di inizio della trascrizione. d , espressione di eGFP nella metà posteriore del pesce nella fase in cui si stanno formando le spine dorsali (stadio Swaup 31). Barra della scala, 1 mm. e , Nota l'espressione nella piega della pinna tra DS2 e DSL, DSL e pinna dorsale (DF). Barra della scala, 1 mm. f , Radiografia di Gasterosteus non iniettato (in alto) e Gasterosteus iniettato allo stadio unicellulare con Cas9 e sgRNA mirati alla regione codificante di HOXD11B (parte inferiore). Frecce:due pterigofori vuoti si trovano spesso tra DS2 e DSL ma solo nei pesci non iniettati (riquadri:due pterigofori vuoti in n = 5 su 18 controllo e n = 0 su 23 mutanti F0 iniettati, test esatto di Fisher a due code P = 0,01). Barra della scala, 5 mm. g , Confronti di lunghezza delle spine dorsali e anali. Trama a scatola e baffi:linea centrale, mediana; box limit, range interquartile (IQR); baffi, 1,5 × IQR; misurazioni individuali mostrate come punti singoli (cerchi:WT; triangoli:mutante). e asse:residuo dopo aver contabilizzato la lunghezza standard del pesce . DSL e AS erano significativamente più lunghi nel pesce iniettato rispetto a quello non iniettato (t a due code -test Bonferroni-corretto a α = 0,05, n = 18 controllo e n = 23 iniettati, DSL P agg = 3 × 10 −5 , AS P agg = 0,02). Le lunghezze DS1 e DS2 non erano significativamente diverse. Credito:Ecologia ed evoluzione della natura (2022). DOI:10.1038/s41559-022-01855-3
Una serie di esperimenti guidati dai ricercatori della Stanford Medicine che includevano ganci per pesci, CRISPR e salti di lago ha confermato un'ipotesi di vecchia data, ma non dimostrata, sull'evoluzione naturale. Sfata anche un punto di discussione favorito dai sostenitori del design intelligente, che hanno sostenuto che le mutazioni naturali danneggeranno o distruggeranno solo un animale e non possono portare a nuovi tratti e strutture corporee utili.
I ricercatori hanno identificato cambiamenti ripetuti nella regolazione di un gene chiave dello sviluppo che aumenta il numero e regola la lunghezza delle principali spine difensive di un pesce chiamato spinarello. I nuovi tratti della spina dorsale migliorano la sopravvivenza del pesce di fronte a diversi predatori, nonostante un'affermazione chiave degli anti-evoluzionisti secondo cui i grandi cambiamenti lasceranno sempre gli animali inadatti a sopravvivere in natura.
"Gli scienziati sanno già che i cambiamenti nella regolazione di questo gene, chiamato HOX, controllano lo sviluppo delle principali strutture corporee durante lo sviluppo", ha affermato David Kingsley, Ph.D., professore di biologia dello sviluppo. "La novità è che dimostriamo in modo definitivo che le mutazioni in questo gene producono grandi cambiamenti negli animali selvatici, nuove caratteristiche che aiutano i pesci a prosperare negli ambienti naturali. I nostri risultati confutano l'argomento comune secondo cui questi tipi di geni sono così importanti, così fondamentali, che gli animali con le mutazioni in queste regioni non sopravvivrebbe in natura, che se giochi con regolatori esperti, diventerai solo un mostro senza speranza."
Kingsley, un ricercatore HHMI e Professore Rudy J. e Daphne Donohue Munzer, è l'autore senior della ricerca, che è stata pubblicata online il 1 settembre in Nature Ecology and Evolution . La dottoranda Julia Wucherpfennig è l'autrice principale dello studio.
Sebbene il concetto di evoluzione sia ampiamente accettato, può avvenire in modi diversi. L'evoluzione regressiva è la perdita di tratti esistenti, precedentemente utili ma ora svantaggiosi o inutili, risultando in un animale più adatto al suo ambiente naturale. Questi cambiamenti sono quasi sempre neutri - pensa ai pesci delle caverne che hanno perso gli occhi dopo generazioni nell'oscurità - o utili, come nei primi umani che perdono la tuta pelosa dei nostri parenti scimmia, permettendoci di inseguire la preda per lunghe distanze senza surriscaldarci .
Un gioco d'azzardo
Al contrario, l'evoluzione progressiva si verifica quando gli organismi acquisiscono nuovi tratti che consentono loro di superare i loro coetanei. Ma tali cambiamenti sono essenzialmente un atto di fede equivalente a lanciare i dadi genetici e sperare che arrivino tutti a sei. Cambiamenti più piccoli e più graduali sono meno rischiosi. Grandi cambiamenti strutturali, a volte chiamati mutazioni a grande effetto, possono essere particolarmente rischiosi:immagina un giorno di uscire pavoneggiando dal tuo appartamento sfoggiando una terza gamba o due teste. Avresti un vantaggio sui tuoi vicini quando corri verso l'autobus o hai maggiori probabilità di inciampare e cadere a capofitto nel traffico?
Sebbene ci siano stati alcuni casi in cui gli animali hanno acquisito tratti benefici in natura dai cambiamenti nei geni HOX - i moscerini della frutta hanno sviluppato modelli specifici di setole sensoriali sulle gambe e alcune api hanno acquisito una colorazione distintiva sui loro addominali - i maggiori guadagni strutturali causati da mutazioni in queste regioni sono state dannose.
Julia Wucherpfennig ha scoperto che le variazioni genetiche nei pesci spinarelli erano associate a importanti cambiamenti anatomici, in particolare nel numero di spine. Credito:David Kingsley
"I moscerini della frutta a quattro ali allevati in laboratorio sono un famoso esempio di come alterazioni genetiche relativamente semplici nelle regioni regolatrici dei geni HOX possono cambiare drasticamente la forma del corpo di un animale", ha detto Kingsley. "Ma poiché queste mosche non possono sopravvivere allo stato selvatico, i sostenitori dell'anti-evoluzione le hanno sequestrate, non come buoni esempi di come i geni guidano l'evoluzione, ma come prova che i cambiamenti genetici possono solo rendere gli animali meno funzionali".
I pesci spinarelli lunghi da due a quattro pollici, che sfoggiano un numero variabile di spine appuntite lungo la schiena, sono ottimi soggetti di ricerca perché si evolvono rapidamente e drammaticamente in risposta alle mutevoli condizioni ambientali. Un lago pieno di insetti mangiatori di pesce ospita spesso spinarelli con spine più piccole e più corte da afferrare. Ma uno stagno con pesci o uccelli più grandi che ingoiano i loro bastoncini di pesce interi può vantare una popolazione di spinarelli con spine più lunghe, più numerose e che graffiano la gola. Le foreste di erbacce acquose sono l'ideale per i pesci flessibili e scivolosi che possono nascondersi nella vegetazione, mentre in mare aperto, piastre corazzate e formidabili spine sono la strada da percorrere.
Il laboratorio Kingsley ha iniziato lo studio con un po' di matchmaking acquoso. Precedenti laureati hanno incrociato uno spinarello femmina a due spine da un lago d'acqua dolce nella Columbia Britannica con uno spinarello maschio a tre spine dalle acque salate di Bodega Bay, in California. Hanno quindi incrociato la progenie di quella partita tra loro e hanno analizzato il numero e la forma delle loro spine. La maggior parte dei 590 grand-fish aveva tre spine, ma sei avevano due spine e 21 avevano quattro spine, più di tutti i loro antenati. Ampi studi genetici sui pesci a spina variabile hanno individuato differenze nella regione attorno a un gene chiamato HOXDB, che è un membro della famiglia di geni HOX.
Un legame tra geni e anatomia
Wucherpfennig ha continuato a raccogliere e attraversare spinarelli da una miriade di laghi e torrenti nordamericani, studiando la loro composizione genetica e utilizzando metodi CRISPR per confermare gli effetti del gene HOXDB sulle spine dorsali. Ha trovato un pannello di cambiamenti nelle regioni vicine al gene HOXDB e ha mostrato che erano associati a importanti cambiamenti anatomici che si stanno evolvendo nell'armatura difensiva dei pesci selvatici.
"In Nuova Scozia, alcune delle popolazioni di spinarelli si sono evolute per avere cinque o anche sei spine", ha detto Kingsley. "La natura ha lasciato intatta la regione codificante di questo gene, ma ha alterato come e quando viene espresso durante il normale sviluppo per aggiungere strutture anziché rimuoverle. E i pesci con queste nuove strutture prosperano in un ambiente completamente selvaggio soggetto a un'intera gamma di condizioni ambientali. pressioni."
Wucherpfennig e i suoi colleghi hanno dimostrato che i ripetuti cambiamenti nelle regioni regolatorie del gene HOXDB sono responsabili della recente evoluzione di nuovi modelli di spine in due diverse specie di spinarelli che ha studiato da tutto il Nord America. Ora sono interessati a sapere se cambiamenti simili sono responsabili di differenze nei pesci che sono ancora più lontanamente imparentati.
"Ci sono regole prevedibili che governano il cambiamento evolutivo?" disse Kingsley. "Le specie naturali usano sempre lo stesso trucco o devono inventare un nuovo trucco ogni volta? Finora, è stato lo stesso gene anche in questi spinarelli molto divergenti provenienti da ambienti diversi. Qui mostriamo che la natura aggiunge regolarmente importanti strutture per generare animali più adatti all'ambiente, e che lo fa ripetutamente utilizzando lo stesso gene regolatore principale. È un argomento decisivo per l'evoluzione progressiva, che è stato dibattuto nei circoli accademici e non accademici per decenni". + Esplora ulteriormente
