O pequeno genoma do skate e o surgimento evolutivo da asa

Nature volume 616, páginas 495–503 (2023) Cite este artigo

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As raias são peixes cartilaginosos cujo plano corporal apresenta barbatanas peitorais semelhantes a asas, permitindo-lhes prosperar em ambientes bentônicos1,2. No entanto, os fundamentos moleculares dessa característica única permanecem obscuros. Aqui nós investigamos a origem desta inovação fenotípica desenvolvendo a pequena raia Leucoraja erinacea como um modelo habilitado genomicamente. A análise de uma sequência de genoma em escala cromossômica de alta qualidade para o pequeno patim mostra que ele preserva muitas características ancestrais de vertebrados com mandíbula em comparação com outros genomas sequenciados, incluindo numerosos microcromossomos antigos. Combinando comparações de genoma com extensos conjuntos de dados regulatórios em barbatanas em desenvolvimento – incluindo expressão gênica, ocupação da cromatina e conformação tridimensional – encontramos rearranjos genômicos específicos de patins que alteram a paisagem regulatória tridimensional de genes envolvidos na via de polaridade da célula planar. A inibição funcional da sinalização da polaridade da célula planar resultou em uma redução no tamanho da nadadeira anterior, confirmando que esta via é um dos principais contribuintes para a morfologia da nadadeira batoide. Também identificamos um intensificador específico da nadadeira que interage com vários genes hoxa, consistente com a redistribuição da expressão do gene hox nas nadadeiras peitorais anteriores, e confirmamos seu potencial para ativar a transcrição na nadadeira anterior usando ensaios de repórter de peixe-zebra. Nossas descobertas ressaltam o papel central da reorganização do genoma e da variação regulatória na evolução dos fenótipos, lançando luz sobre a origem molecular de uma característica enigmática.

A origem e a diversificação dos vertebrados foram acompanhadas pelo surgimento de inovações importantes no desenvolvimento2,3. Entre eles, os apêndices pareados apresentam uma requintada diversidade de formas e adaptações não apenas nos tetrápodes, mas também nos condrictes (peixes cartilaginosos) nos quais as estruturas das nadadeiras são consideravelmente diversas2. Os apêndices alares dos peixes batóides (skates e raias) (Fig. 1a) são exemplos fascinantes, nos quais as barbatanas peitorais estendem-se anteriormente e fundem-se com a cabeça. Essa estrutura única cria força para a propulsão frontal e levou ao surgimento de mecanismos de natação que permitiram que os patins colonizassem o fundo do mar1. A análise transcriptômica das barbatanas em desenvolvimento revelou uma grande reorganização dos gradientes de sinalização em relação a outros vertebrados1. A redistribuição de fatores de transcrição de desenvolvimento, como os genes 3' hox, inicia um centro de sinalização anterior análogo à crista ectodérmica apical posterior (AER). Essas mudanças surgiram ~ 286–221 milhões de anos atrás (Fig. 1b) após a divergência entre tubarões e patins. No entanto, as mudanças genômicas e regulatórias subjacentes a esses novos domínios de expressão permaneceram indefinidas.

a, Raia adulta (L. erinacea) e coloração do esqueleto com Alcian Blue e Alizarin Red. b, Cronograma mostrando o tempo de ramificação e divergência das linhagens de condrictes e de linhagens de osteíctes selecionadas (Suplementar Fig. 1). c, Diferenças morfológicas no esqueleto entre as nadadeiras peitorais em tubarão e raia destacando a expansão de uma nadadeira em forma de asa. As ilustrações foram reproduzidas de publicação anterior60. d, Densidade de contato Hi-C pairwise entre 40 cromossomos de skate, mostrando uma interação intercromossômica aumentada entre os menores (microcromossomos). A escala de cores mostra contatos Hi-C intercromossômicos observados/esperados transformados em log. Macro., macrocromossomo; meso., mesocromossomo; micro., microcromossomo. e, classificação dos cromossomos de patim pequeno com base na relação entre seu tamanho e porcentagem de GC, destacando o alto conteúdo de GC de microcromossomos.

Muitas inovações evolutivas de vertebrados foram influenciadas pelas reorganizações genômicas substanciais causadas por duas rodadas de duplicação do genoma inteiro (WGD). Os cromossomos ancestrais dos cordados foram duplicados e rearranjados para dar origem à diversidade de cariótipos existentes nos vertebrados4. Concomitantemente, a perda generalizada de genes parálogos após WGDs produziu desertos gênicos enriquecidos em elementos reguladores5. De forma convincente, essas alterações genômicas foram acompanhadas por mudanças marcantes na regulação gênica, contribuindo para um aumento na pleiotropia em genes de desenvolvimento5 e para a complexidade de suas paisagens regulatórias6. Nos vertebrados, as paisagens regulatórias são organizadas espacialmente em domínios de associação topológica (TADs)7,8. TADs correspondem a grandes regiões genômicas com autocontato aumentado que promovem a interação entre elementos reguladores cis (CREs) e promotores cognatos para constituir padrões transcricionais precisos. Enquanto os TADs restringem a evolução da ordem dos genes9, os rearranjos genômicos que alteram esses domínios podem ser uma fonte de fenótipos de desenvolvimento10 e inovação evolutiva11,12. No entanto, a importância da organização TAD para a evolução da regulação gênica e o surgimento de características específicas da linhagem após WGDs vertebrados permanece amplamente inexplorada.