Skaczące geny, aka transpozony mogą być nieznane większości z nas, ale pojawiają się w dwóch niedawnych badaniach dotyczących stworzeń morskich cenionych przez płetwonurków – ośmiornic i smoków morskich – i mogą wyjaśnić niektóre tajemnice otaczające te stworzenia.
Transpozon to sekwencja DNA posiadająca zdolność przemieszczania się w obrębie genomu, czyli zestaw instrukcji DNA znajdujący się w komórce. Transpozony mogą się tasować lub powielać, korzystając z molekularnych mechanizmów kopiowania i wklejania, a nawet wycinania i wklejania, i mogą powodować szybkie zmiany genetyczne, gdy wstawią się w środku genu lub w jego pobliżu, uniemożliwiając normalne działanie tego genu.
Transpozony stanowią 45% genomu ludzkiego mózgu, ale teraz po raz pierwszy odkryto je w mózgu bezkręgowca, tzw. ośmiornica – i to może po prostu wyjaśniać jego udowodniony wysoki poziom inteligencji.
Badanie przeprowadził międzynarodowy zespół 20 badaczy, którego koordynacją byli Remo Sanges ze Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA) w Trieście i Graziano Fiorito ze Stazione Zoologica Anton Dohrn (SZAD) w Neapolu.
Naukowcy twierdzą, że „niezwykle złożony” mózg i zdolności poznawcze ośmiornic są wyjątkowe wśród bezkręgowców i uważają, że kluczem do tej złożoności przypominającej kręgowce są geny skoku, po znalezieniu ich w mózgach obu pospolitych ośmiornica (Ośmiornica vulgaris) i kalifornijski ośmiornica (Ośmiornica bimakuloidy).
Podobnie jak u ludzi, niektóre transpozony są nieaktywne, ponieważ z biegiem czasu nagromadziły się mutacje, podczas gdy inne, choć nienaruszone, są blokowane przez komórkowe mechanizmy obronne – chociaż nawet fragmenty i uszkodzone kopie transpozonów mogą zapewnić surowiec do ewolucji – twierdzą naukowcy.
Najbardziej odpowiednie transpozony, znane jako elementy jądrowe o długich odstępach (LINE), pozostają potencjalnie aktywne. Wcześniej uważano, że są to jedynie pozostałości z odległej przeszłości, ale ostatnie badania wykazały, że aktywność LINE jest precyzyjnie regulowana w mózgu, szczególnie w obszarze hipokampa, i może być powiązana ze zdolnościami poznawczymi, takimi jak uczenie się i pamięć.
Genom ośmiornicy jest bogaty w transpozony. Większość z nich jest nieaktywna, ale wykorzystując najnowsze techniki sekwencjonowania, aby skupić się na tych, które nadal potrafią kopiować i wklejać, badacze zidentyfikowali element rodziny LINE w częściach mózgu ośmiornicy kluczowych dla zdolności poznawczych.
„Dosłownie podskoczyłem na krześle, gdy pod mikroskopem zobaczyłem bardzo silny sygnał aktywności tego pierwiastka w płacie pionowym, czyli strukturze mózgu, która u ośmiornicy jest siedliskiem zdolności uczenia się i funkcji poznawczych – podobnie jak hipokamp u ludzi” – powiedziała Giovanna Ponte z SZAD.
„Odkrycie elementu rodziny LINE aktywnego w mózgu dwóch gatunków ośmiornic jest bardzo znaczące, ponieważ potwierdza pogląd, że elementy te pełnią specyficzną funkcję wykraczającą poza kopiowanie i wklejanie” – powiedział Sanges. Badanie zostało opublikowane w Biologia BMC.
Seadragon wygląda
Według naukowców z Uniwersytetu w Oregonie w przypadku smoków morskich, które na wolności występują tylko w Australii, transpozony mogą wyjaśnić ten charakterystyczny wygląd, tak ceniony przez fotografów podwodnych.
Sekwencjonując genomy zarówno chwastów, jak i liściastych odmian smoka morskiego, naukowcy odkryli, że brakuje kluczowej grupy genów, które u innych kręgowców kierują rozwojem twarzy, zębów, przydatków i części układu nerwowego.
„Smoki morskie są dziwakami w grupie i tak już dziwnych ryb” – zauważył asystent badawczy, prof. Clay Small, odnosząc się do ich bliskich krewnych w igliczniowate rodzina, koniki morskie i iglice.
„Istnieje duże zainteresowanie tym, jak podatne na ewolucję są takie rzeczy, jak głowa i twarz” – powiedziała starsza współpracowniczka naukowa Susie Bassham, która współprowadziła badania wraz ze Smallem. „A morskie smoki mogą być dobrymi studiami przypadków w przypadku tego rodzaju pytań ze względu na ogromne różnice, które wyewoluowały dość szybko”. Wraz z konikami morskimi i iglicami odgałęziły się one około 50 milionów lat temu, stwierdziła, „co jest stosunkowo niedawno według standardów ewolucyjnych”.
Uzyskując rzadki dostęp do próbek tkanek z Birch Aquarium w Scripps Research i Tennessee Aquarium, naukowcy przeanalizowali sekwencje genetyczne smoków morskich oraz koników morskich i iglic. W porównaniu do ryb kostnych, takich jak danio pręgowany i ciernik, wszystkie igliczniowate brakowało im genów kierujących rozwojem, ale w przeciwieństwie do swoich krewnych, morskie smoki zawierały również większe niż zwykle ilości transpozonów.
Za pomocą specjalistycznego mikroskopu rentgenowskiego wykonano trójwymiarowy obraz o wysokiej rozdzielczości 3-centymetrowego smoka morskiego (Phyllopteryx taeniolatus). Skanowano go w fragmentach, a obrazy połączono w kompletny obraz, który ujawniał najdrobniejsze szczegóły kości morskiego smoka.
„Nikt wcześniej nie wyobrażał sobie w ten sposób jakiejkolwiek części morskiego smoka” – powiedział Bassham. „Zaobserwowaliśmy, że struktury podporowe dla ulistnionych łopatek wyglądały jak przeróbki kolców, a następnie na ich końcach dodano mięsiste wyrostki”. Powiedziała, że ugruntowało to pogląd, że coś, co wydawało się ozdobnymi wyrostkami, wyewoluowało z kolców.
Zespół ma nadzieję, że publiczne udostępnienie sekwencji genomu morskich smoków pomoże w zrozumieniu ewolucji tych dziwnych stworzeń, a także w wysiłkach na rzecz ich ochrony. Ich badanie zostało opublikowane w Materiały z National Academies of Sciences.
Również w Divernet: Czy złapałeś Seadragona?, Opieka w legowisku smoka, Ruby Seadragons debiutują na żywo
