Die von einem Team von Wissenschaftlern der Texas A&M School of Veterinary Medicine and Biomedical Sciences geleitete Forschung beendet die hitzige wissenschaftliche Debatte über die Geschichte der Diversifizierung von Säugetieren in Bezug auf das Aussterben der Nicht-Vogel-Dinosaurier. Ihre Arbeit liefert eine definitive Antwort auf die evolutionäre Zeitachse von Säugetieren während der letzten 100 Millionen Jahre.
Die Studie, erschienen in Wissenschaftist Teil einer Reihe von Artikeln, die von der veröffentlicht wurden Zoonomia-Projekt, ein Konsortium von Wissenschaftlern aus der ganzen Welt, das den größten genomischen Datensatz von Säugetieren in der Geschichte verwendet, um die Evolutionsgeschichte des menschlichen Genoms im Kontext der Evolutionsgeschichte von Säugetieren zu bestimmen. Ihr oberstes Ziel ist es, die genetische Grundlage für Merkmale und Krankheiten bei Menschen und anderen Arten besser zu identifizieren.
Die Forschung der Texas A&M University – geleitet von Dr. William J. Murphy, Professor am Department of Veterinary Integrative Biosciences, und Dr. Nicole Foley, Associate Research Scientist in Murphys Labor – wurzelt in der Phylogenie, einem Zweig der Biologie, der sich damit beschäftigt mit den evolutionären Beziehungen und der Diversifizierung lebender und ausgestorbener Organismen.
„Das zentrale Argument dreht sich darum, ob Plazenta-Säugetiere (Säugetiere, die sich in Plazentas entwickeln) vor oder nach dem Aussterben der Kreide-Paläogene (oder K-Pg) auseinandergingen, das die Nicht-Vogel-Dinosaurier auslöschte“, teilte Foley mit. „Indem wir neue Arten von Analysen durchführen, die nur aufgrund des enormen Umfangs von Zoonomia möglich sind, beantworten wir die Frage, wo und wann sich Säugetiere in Bezug auf das Massensterben von K-Pg diversifiziert und entwickelt haben.“
Die Forschung – die mit Mitarbeitern an der University of California, Davis durchgeführt wurde; Universität von Kalifornien, Riverside; und das American Museum of Natural History – kommt zu dem Schluss, dass die Diversifizierung der Säugetiere vor dem Aussterben der K-Pg als Folge der Kontinentaldrift begann, die dazu führte, dass die Landmassen der Erde auseinander drifteten und über Millionen von Jahren wieder zusammenkamen. Ein weiterer Diversifizierungsschub erfolgte unmittelbar nach dem K-Pg-Aussterben der Dinosaurier, als Säugetiere mehr Platz, Ressourcen und Stabilität hatten.
Diese beschleunigte Diversifizierung führte zu der reichen Vielfalt von Säugetierlinien – wie Fleischfresser, Primaten und Huftiere – die heute die Erde teilen.
Die Forschung von Murphy und Foley wurde von der National Science Foundation finanziert und ist Teil des Zoonomia-Projekts unter der Leitung von Elinor Karlsson und Kerstin Lindblad-Toh vom Broad Institute, das auch Säugetiergenome vergleicht, um die Grundlage bemerkenswerter Phänotypen zu verstehen – die Expression von bestimmte Gene wie braune vs. blaue Augen – und die Ursprünge von Krankheiten.
Foley wies darauf hin, dass sich die Vielfalt unter Plazentasäugern sowohl in ihren körperlichen Merkmalen als auch in ihren außergewöhnlichen Fähigkeiten zeigt.
„Säugetiere repräsentieren heute eine enorme evolutionäre Vielfalt – vom sausenden Flug der winzigen Hummelfledermaus bis zum trägen Gleiten des riesigen Blauwals, wenn er durch die riesigen Ozeane der Erde schwimmt. Mehrere Arten haben sich zur Echoortung entwickelt, einige produzieren Gift, während andere Krebs entwickelt haben Resistenz und Virustoleranz“, sagte sie.
„In der Lage zu sein, gemeinsame Unterschiede und Ähnlichkeiten zwischen den Säugetierarten auf genetischer Ebene zu betrachten, kann uns dabei helfen, die Teile des Genoms herauszufinden, die für die Regulierung der Genexpression entscheidend sind“, fuhr sie fort. „Das Optimieren dieser genomischen Maschinerie bei verschiedenen Arten hat zu der Vielfalt von Merkmalen geführt, die wir bei den heute lebenden Säugetieren sehen.“
Murphy teilte mit, dass Foleys aufgelöste Phylogenie von Säugetieren entscheidend für die Ziele des Zoonomia-Projekts ist, das darauf abzielt, die Leistungsfähigkeit der vergleichenden Genomik als Werkzeug für die Humanmedizin und den Erhalt der Artenvielfalt zu nutzen.
„Das Zoonomia-Projekt ist wirklich wirkungsvoll, weil es die erste Analyse ist, die 241 verschiedene Säugetiergenome auf einmal angleicht und diese Informationen verwendet, um das menschliche Genom besser zu verstehen“, erklärte er. „Der Hauptantrieb für die Zusammenstellung dieses großen Datensatzes war, all diese Genome mit dem menschlichen Genom vergleichen zu können und dann festzustellen, welche Teile des menschlichen Genoms sich im Laufe der Evolutionsgeschichte der Säugetiere verändert haben.“
Für die Humanmedizin ist es wichtig festzustellen, welche Teile von Genen manipuliert werden können und welche Teile nicht verändert werden können, ohne die Funktion des Gens zu beeinträchtigen. Eine aktuelle Studie in Wissenschaft Translationale Medizin unter der Leitung von einem Kollegen von Murphy und Foley, dem Genetiker Dr. Scott Dindot aus Texas A&M, verwendete den Ansatz der vergleichenden Genomik, um a Molekulare Therapie des Angelman-Syndromseine verheerende, seltene neurogenetische Störung, die durch den Funktionsverlust der Mutter ausgelöst wird UBE3A Gen im Gehirn.
Dindots Team nutzte die gleichen Maßnahmen der evolutionären Einschränkung, die vom Zoonomia-Projekt identifiziert wurden, und wandte sie an, um ein entscheidendes, aber bisher unbekanntes genetisches Ziel zu identifizieren, das zur Rettung der Expression von verwendet werden kann UBE3A in menschlichen Neuronen.
Murphy sagte, dass die Erweiterung der Fähigkeit zum Vergleich von Säugetiergenomen durch die Verwendung des größten Datensatzes in der Geschichte dazu beitragen wird, mehr Heilmittel und Behandlungen für die Krankheiten anderer Arten zu entwickeln, die in der Genetik verwurzelt sind, einschließlich Katzen und Hunden.
„Zum Beispiel haben Katzen physiologische Anpassungen, die in einzigartigen Mutationen verwurzelt sind, die es ihnen ermöglichen, eine ausschließlich fettreiche, proteinreiche Ernährung zu sich zu nehmen, die für Menschen äußerst ungesund ist“, erklärte Murphy. „Einer der schönen Aspekte der 241-Arten-Anordnung von Zoonomia ist, dass wir jede Art (nicht nur den Menschen) als Referenz auswählen und bestimmen können, welche Teile des Genoms dieser Art sich frei ändern können und welche Änderungen nicht tolerieren können. In dem Fall von Katzen beispielsweise können wir möglicherweise helfen, genetische Anpassungen bei diesen Arten zu identifizieren, die zu therapeutischen Angriffspunkten für Herz-Kreislauf-Erkrankungen beim Menschen führen könnten.“
Die Phylogenie von Murphy und Foley spielte auch in vielen der nachfolgenden Arbeiten, die Teil des Projekts sind, eine entscheidende Rolle.
„Es ist Trickle-Down-Genomik“, erklärte Foley. „Eines der befriedigendsten Dinge für mich bei der Arbeit im Rahmen des umfassenderen Projekts war zu sehen, wie viele verschiedene Forschungsprojekte durch die Einbeziehung unserer Phylogenie in ihre Analysen verbessert wurden. Dies umfasst Studien zur Erhaltungsgenomik gefährdeter Arten bis hin zu solchen, die sich mit der Evolution befassten.“ verschiedener komplexer menschlicher Eigenschaften.“
Foley sagte, es sei sowohl sinnvoll als auch lohnend, die heftig diskutierte Frage nach dem Zeitpunkt der Entstehung von Säugetieren endgültig zu beantworten und eine erweiterte Phylogenie zu erstellen, die die Grundlage für die nächsten Generationen von Forschern legt.
„In Zukunft wird dieser massive Genomabgleich und seine historische Aufzeichnung der Evolution des Säugetiergenoms die Grundlage für alles sein, was jeder tun wird, wenn er vergleichende Fragen bei Säugetieren stellt“, sagte sie. „Das ist ziemlich cool.“
Mehr Informationen:
Nicole M. Foley et al, Eine genomische Zeitskala für die Evolution von Plazenta-Säugern, Wissenschaft (2023). DOI: 10.1126/science.abl8189