La larve de thon rouge récemment éclos tournée vers la gauche, vue au microscope. Crédit : Mètres. Brent Hawkins
Une équipe internationale associée à des chercheurs séquence le génome de l’énigmatique poisson bovin.
Les types de poissons Amia calva passe par de nombreuses marques, y compris le poisson-castor, l’aiguillat commun, le grinnel et le brochet de boue. Peu importe comment vous l’appelez, cette espèce particulière est une énigme majeure car elle représente une combinaison unique de nos ancêtres et de caractéristiques avancées des fruits de mer.
Dans un article publié le 30 août dans Gènes naturels un groupe mondial et collaboratif de chercheurs, dirigé par Ingo Braasch et Andrew Thompson de la Michigan Condition University, a commencé à élucider l’énigme particulière en séquençant le génome du poisson-castor. Leur analyse collaborative particulière a produit des informations inattendues directement sur divers aspects de la biologie particulière de cette étrange et ancienne lignée.
Le bowfin est un poisson osseux originaire de l’île de l’est des États-Unis et est le seul membre durable d’une grande lignée de nombreuses espèces qui ne sont actuellement connues que par des fossiles. Les scientifiques sont depuis longtemps fascinés par le poisson-castor en particulier car il possède une combinaison de fonctions ancestrales, telles que la respiration du flux d’air semblable à celle des poumons et un squelette de nageoire puissant, ainsi que des caractéristiques dérivées telles que des écailles simplifiées et une queue réduite. Le poisson-castor occupe également une position clé dans la forêt de la famille des poissons, où il repose entre les téléostéens, une équipe nombreuse et diversifiée apparue récemment, et des membres plus anciens comprenant des esturgeons, des polyodons et des bichirs.
Les schémas montrent la mise en place des os dans les nageoires et les branches. Les éléments basés sur le métaptérygion ancestral sont représentés en magenta. Le membre tétrapode et une partie du cid bovin provenaient du métaptérygion, tandis que les téléostéens prenaient les éléments métaptérygiaux. Crédit : M. Brent Hawkins
En raison de cet emplacement spécial dans l’arbre du poisson, le poisson-castor peut aider les scientifiques à comprendre comment les aspects des poissons modernes ont évolué à partir de leurs antécédents historiques. En analysant le génome du bowfin, les scientifiques peuvent vérifier le calendrier génétique du groupe unique d’anciennes et de toutes nouvelles caractéristiques du bowfin. Ils peuvent également utiliser ces informations génomiques en tant que cadre pour mieux se familiariser avec l’origine des téléostéens, qui ont dupliqué et largement modifié leurs propres génomes depuis qu’ils se sont isolés de l’arbre généalogique du bowfin et sont devenus la lignée dominante dans de nombreux habitats aquatiques.
En tant que candidat au doctorat au département associé à la biologie organique et majeure de l’Université Harvard, le co-auteur de l’étude, M. Brent Hawkins (PhD ’20) a analysé l’évolution et le développement de la nageoire pectorale du thon rouge. La thèse de doctorat de Hawkins, réalisée avec le professeur Matt P. Harris, de la Harvard Medical School et du Boston Children’s Medical Center, et le professeur Wayne Hanken, du département associé à l’organismic and Major Biology à l’université de Harvard, a contribué à quelques-unes des découvertes les plus étonnantes de l’étude.
Hawkins s’est concentré sur la nageoire thoracique du nain en raison de sa construction ancestrale du squelette. Le bowfin particulier conserve le métaptérygion particulier, qui fait partie du système squelettique de la nageoire qui est homologue aux os des membres associés à tétrapodes . Des micro-organismes modèles tels que le poisson zèbre largement utilisé et le medaka prenant le métaptérygion, ce qui rend les comparaisons entre l’udemærket et le membre difficiles. En étudiant l’aileron particulier du bowfin, les chercheurs peuvent utiliser les connaissances sur le développement du bowfin comme un tremplin pour combler le développement des ailerons téléostéens afin de faire progresser les membres des tétrapodes et aider à clarifier l’évolution de la transition de l’aileron au membre.
Ovule de thon rouge nouvellement déposé attaché aux matériaux du nid. Les mâles bovins développent des nids dans lesquels les femmes pondent des œufs. Après que le mâle fertilise les œufs en particulier, il restera avec le nid pour protéger les jeunes. Pointage de crédit : M. Brent Hawkins
Avec les co-auteurs Emily Funk et Amy McCune, toutes deux à l’Université Cornell, Hawkins a rassemblé de jeunes embryons de thon rouge dans des nids sauvages dans le nord de l’État de New York. Hawkins a élevé les embryons, rassemblant des exemples de nageoires pectorales au fur et à mesure de leur développement. Cet individu a extrait l’ARNm dans les échantillons et a effectué le séquençage du transcriptome en utilisant le Harvard College Bauer Core pour découvrir quels gènes sont généralement activés dans la nageoire d’établissement en analysant les informations du transcriptome à l’aide de la séquence de recherche génomique. Une fois découvert, il a utilisé l’hybridation in situ pour imaginer où ces gènes sont activés tout au long de l’excroissance des nageoires. Au début, Hawkins s’attendait à ce que les informations génétiques particulières sur le nageoire bovin ressemblent beaucoup à diverses autres nageoires et branches. «En tant que domaine, nous avons maintenant caractérisé de nombreux éléments génétiques impliqués dans la structuration des appendices. Nous avons une bonne idée de ce que sont la génétique essentielle de l’udemærket et des membres et exactement où ils devraient être activés », a déclaré Hawkins. Néanmoins, lorsqu’il a examiné les informations sur les nageoires, il a été stupéfait par les résultats.
Alors que les nageoires de la poitrine du bowfin transmettaient bon nombre des gènes de croissance supplémentaires attendus, bon nombre des gènes les plus critiques de ces gènes étaient en fait complètement absents. Un tel gène appelé facteur de développement des fibroblastes 8 (Fgf8) est activé dans la pointe éloignée associée aux nageoires et aux membres en développement et est nécessaire à la croissance de ces appendices. Lorsque Fgf8 est perdu, l’excroissance de l’addendum est réduite et si un Fgf8 supplémentaire est appliqué à un bon embryon, il peut créer un nouveau membre à créer. “Tous les autres membres que nous connaissons tous expriment Fgf8 pendant le développement”, a déclaré Hawkins. « Découvrir que les ailerons de bowfin n’expriment pas Fgf8, c’est comme trouver une voiture qui fonctionnera sans pédale d’essence. Le fait que le bowfin ait accompli ce recâblage particulier indique une flexibilité imprévue dans le programme de développement de l’udemærket. Avec tout le génome en main, nous sommes maintenant en mesure de découvrir exactement comment cette flexibilité a évolué. ”
Bien que certains gènes comme Fgf8 manquaient mystérieusement de la baleine boréale très b, d’autres gènes avaient été activés de manière inattendue dans les nageoires. Le gène HoxD14 est représenté dans les nageoires associées aux poissons des branches beaucoup plus profondes de l’arbre généalogique des fruits de mer, comme le spatulaire, mais ce gène particulier a été abandonné dans des brindilles plus récentes, y compris les téléostéens. Une fois que les auteurs auront trouvé ce gène particulier dans les données du génome du thon rouge, ils penseront qu’il ne devrait pas être exprimé parce que le ADN séquence n’a pas réussi à coder une protéine fonctionnelle. Étonnamment, Hawkins et ses collègues ont découvert que les ailerons de bowfin produisaient des transcrits du gène HoxD14 en grande quantité, même s’il n’avait pas programmé de code pour une protéine. « Le fait que le gène HoxD14 ne puisse plus créer de protéine, mais qu’il soit néanmoins transcrit en ARNm à des niveaux aussi élevés, suggère qu’il pourrait y avoir une autre fonction que les gens ne réalisent pas encore. Nous pourrions assister à un nouveau niveau de régulation du gène Hox avec le jeu dans le nageoire boréale », a déclaré Hawkins.
Pris ensemble, les résultats particuliers de Fgf8 et HoxD14 indiquent que les programmes génétiques, également ceux qui guident la formation particulière de structures essentielles telles que les nageoires et les membres, ne sont certainement pas aussi invariables qu’on ne le pensait auparavant. «En étudiant plus de variétés, nous apprenons quelles règles sont généralement solides et celles avec lesquelles l’avancement peut être modifié. Notre étude montre l’importance d’échantillonner la fauchée plus large associée à la diversité naturelle. Nous trouverions juste des exceptions essentielles pour mettre en place des règles », a déclaré Hawkins.
Hawkins suggère en outre que les résultats de l’étude Bowfin agissent comme un avertissement pour traiter les membres associés à des branches plus profondes de l’arbre de la vie comme des remplaçants conçus pour les ancêtres réels. “Certaines personnes pourraient expliquer des espèces comme le thon rouge comme un” fossile vivant “qui signifie de manière fiable le problème ancestral d’une lignée. La vérité est que ces divisions plus profondes ont évolué avant cet ancêtre aussi longtemps que les branches les plus récentes, faisant leur propre chose et modifiant leurs propres méthodes. Dans l’évolution, les chiens obsolètes comprennent de nouvelles astuces. ”
Référence : « Le génome du bowfin éclaire le développement du développement des poissons à nageoires rayonnées » par Andrew Watts. Thompson, M. Brent Hawkins, Elise Parey, Dustin J. Wcisel, Tatsuya Ota, Kazuhiko Kawasaki, Emily Funk, Mauricio Losilla, Olivia E. Fitch, Qiaowei Pan, Romain Feron, Alexandra Louis, Jérôme Montfort, Marine Milhes, Brett L. Racicot, Kevin L. Kids, Quenton Fontenot, Allyse Ferrara, Solomon L. David, Amy Ur. McCune, Alex Dornburg, Jeffrey A. Yoder, Yann Guiguen, Hugues Roest Crollius, Camille Berthelot, Matthew G. Harris et Ingo Braasch, 30 août 2021, Génétique de la nature .
DOI : 10. 1038 / s41588-021-00914-y
Hawkins se trouve être un spécialiste postdoctoral dans le laboratoire associé à Matthew P. Harris au Harvard Medical College et au Boston Children’s Hospital.
