Genomstudien von Tintenfischen und Tintenfischen zeigen, wie sich die einzigartigen Eigenschaften von Kopffüßern entwickelt haben

Tintenfische, Oktopusse und Tintenfische – selbst für Wissenschaftler, die sie studieren – sind wunderbar seltsame Kreaturen. Bekannt als Weichkörper- oder Coleoid-Kopffüßer, haben sie das größte Nervensystem aller Wirbellosen, komplexe Verhaltensweisen wie sofortige Tarnung, mit geschickten Saugnäpfen besetzte Arme und andere evolutionär einzigartige Merkmale.

Jetzt haben Wissenschaftler das Genom der Kopffüßer untersucht, um zu verstehen, wie diese ungewöhnlichen Tiere entstanden sind. Dabei entdeckten sie, dass die Genome von Kopffüßern genauso seltsam sind wie die der Tiere. Wissenschaftler des Marine Biological Laboratory (MBL) in Woods Hole, der Universität Wien, der University of Chicago, des Okinawa Institute of Science and Technology und der University of California, Berkeley, berichten in zwei neuen Studien über ihre Ergebnisse Naturkommunikation.

„Große und ausgefeilte Gehirne haben sich ein paar Mal entwickelt“, sagte Co-Hauptautorin Caroline Albertin, Hibbitt Fellow am MBL. „Ein berühmtes Beispiel sind die Wirbeltiere. Ein anderes sind die Weichkörper-Kopffüßer, die als separates Beispiel dafür dienen, wie ein großes und kompliziertes Nervensystem zusammengesetzt werden kann. Durch das Verständnis des Kopffüßer-Genoms können wir Einblick in die Gene gewinnen, die vorhanden sind wichtig für den Aufbau des Nervensystems sowie für die neuronale Funktion.“

In Albertin et al., das diese Woche veröffentlicht wurde, analysierte und verglich das Team die Genome von drei Arten von Kopffüßern – zwei Tintenfischen (Doryteuthis pealeii und Euprymna scolopes) und ein Oktopus (Octopus bimaculoides).

Die Sequenzierung dieser drei Kopffüßer-Genome, ganz zu schweigen von ihrem Vergleich, war eine von der Grass Foundation finanzierte Meisterleistung, die über mehrere Jahre in Labors auf der ganzen Welt stattfand.

„Der wahrscheinlich größte Fortschritt in dieser neuen Arbeit ist die Bereitstellung von Assemblierungen auf chromosomaler Ebene von nicht weniger als drei Kopffüßergenomen, die alle für Studien am MBL zur Verfügung stehen“, sagte Co-Autor Clifton Ragsdale, Professor für Neurobiologie und Biologie und Anatomie an der Universität von Chicago.

„Ansammlungen auf chromosomaler Ebene ermöglichten es uns, besser zu verfeinern, welche Gene vorhanden sind und wie ihre Reihenfolge ist, da das Genom weniger fragmentiert ist“, sagte Albertin. „Jetzt können wir damit beginnen, die regulatorischen Elemente zu untersuchen, die möglicherweise die Expression dieser Gene antreiben.“

Am Ende führte der Vergleich der Genome die Wissenschaftler zu dem Schluss, dass die Evolution neuer Merkmale bei Kopffüßern mit weichem Körper teilweise durch drei Faktoren vermittelt wird:

Am auffälligsten war, dass sie herausfanden, dass das Kopffüßer-Genom „unglaublich aufgewühlt ist“, sagte Albertin.

In einer verwandten Studie (Schmidbaur et al.), die letzte Woche veröffentlicht wurde, untersuchte das Team, wie das stark reorganisierte Genom in Euprymna scolopes beeinflusst die Genexpression. Das Team stellte fest, dass die Genomumlagerungen zu neuen Wechselwirkungen führten, die möglicherweise an der Herstellung vieler der neuartigen Kopffüßergewebe beteiligt sind, einschließlich ihrer großen, ausgeklügelten Nervensysteme.

„Bei vielen Tieren ist die Genordnung innerhalb des Genoms im Laufe der Evolution erhalten geblieben“, sagte Albertin. „Aber bei Kopffüßern hat das Genom Schübe der Umstrukturierung durchlaufen. Dies stellt eine interessante Situation dar: Gene werden an neue Stellen im Genom gebracht, wobei neue regulatorische Elemente die Expression der Gene steuern. Das könnte Möglichkeiten für die Entwicklung neuer Merkmale schaffen. „

Was ist so bemerkenswert an Cephalopodengenomen?

Zu den wichtigsten Erkenntnissen über das Genom von Kopffüßern, die die Studien liefern, gehören:

Sie sind groß. Das Doryteuthis Genom ist 1,5-mal größer als das menschliche Genom, und das Oktopus-Genom ist 90 % so groß wie das eines Menschen.

Sie sind durcheinander. „Zu den Schlüsselereignissen in der Evolution der Wirbeltiere, die zum Menschen führen, gehören zwei Runden der Duplikation des gesamten Genoms“, sagte Ragsdale. „Mit dieser neuen Arbeit wissen wir jetzt, dass die Evolution von Kopffüßern mit weichem Körper ähnlich massive Genomveränderungen mit sich brachte, aber die Veränderungen sind keine Verdopplungen des gesamten Genoms, sondern vielmehr immense Neuanordnungen des Genoms, als ob die Genome der Vorfahren in einen Mixer gegeben würden.“

„Mit diesen neuen Informationen können wir beginnen zu fragen, wie groß angelegte Genomveränderungen diesen wichtigen einzigartigen Merkmalen zugrunde liegen könnten, die Kopffüßer und Wirbeltiere gemeinsam haben, insbesondere ihre Fähigkeit für große Körper mit unverhältnismäßig großen Gehirnen“, sagte Ragsdale.

Überraschenderweise fanden sie heraus, dass die drei Kopffüßer-Genome relativ zueinander – und auch im Vergleich zu anderen Tieren – stark neu angeordnet sind.

„Krake und Tintenfisch haben sich vor etwa 300 Millionen Jahren voneinander getrennt, daher macht es Sinn, dass sie anscheinend sehr unterschiedliche Evolutionsgeschichten haben“, sagte Albertin. „Dieses aufregende Ergebnis deutet darauf hin, dass die dramatischen Umordnungen in den Genomen von Kopffüßern neue Genordnungen hervorgebracht haben, die für die Evolution von Tintenfischen und Tintenfischen wichtig waren.“

Sie enthalten neuartige Genfamilien. Das Team identifizierte Hunderte von Genen in neuartigen Genfamilien, die einzigartig für Kopffüßer sind. Während einige alte Genordnungen, die anderen Tieren gemeinsam sind, in diesen neuen Kopffüßer-Genfamilien erhalten sind, scheint die Regulation der Gene sehr unterschiedlich zu sein. Einige dieser kopffüßerspezifischen Genfamilien werden in einzigartigen Merkmalen von Kopffüßern stark exprimiert, einschließlich im Gehirn von Tintenfischen.

Bestimmte Genfamilien sind ungewöhnlich erweitert. „Ein spannendes Beispiel dafür sind die Protocadherin-Gene“, sagte Albertin. „Kopffüßer und Wirbeltiere haben unabhängig voneinander ihre Protocadherine dupliziert, im Gegensatz zu Fliegen und Nematoden, die diese Genfamilie im Laufe der Zeit verloren haben. Diese Duplikation hat zu einem reichhaltigen molekularen Gerüst geführt, das vielleicht an der unabhängigen Evolution großer und komplexer Nervensysteme in Wirbeltieren und Kopffüßern beteiligt ist .“

Sie fanden auch artspezifische Erweiterungen von Genfamilien, wie zum Beispiel die Gene, die an der Herstellung des Schnabels oder der Saugnäpfe des Tintenfischs beteiligt sind. „Keine dieser Genfamilien wurde im Oktopus gefunden. Diese separaten Tiergruppen entwickeln also neue Genfamilien, um ihre neuartige Biologie zu vollenden“, sagte Albertin.

RNA-Bearbeitung: Ein weiterer Pfeil im Köcher, um Neuheit zu generieren

Frühere Forschungen am MBL haben gezeigt, dass Tintenfische und Tintenfische eine außerordentlich hohe Rate an RNA-Editierung aufweisen, was die Arten von Proteinen, die die Tiere produzieren können, diversifiziert. Um dieser Feststellung nachzugehen, Albertin et al. sequenzierte RNA aus 26 verschiedenen Geweben in Doryteuthis und untersuchte die RNA-Bearbeitungsraten in den verschiedenen Geweben.

„Wir haben ein sehr starkes Signal für die RNA-Bearbeitung gefunden, das die Sequenz eines Proteins verändert, das auf das Nervensystem beschränkt ist, insbesondere im Gehirn und im Riesenfaserlappen“, sagte Albertin.

„Dieser Katalog der Bearbeitung über verschiedene Gewebe hinweg bietet eine Ressource, um Folgefragen zu den Auswirkungen der Bearbeitung zu stellen. Findet beispielsweise die RNA-Bearbeitung statt, um dem Tier zu helfen, sich an Temperaturänderungen oder andere Umweltfaktoren anzupassen? Zusammen mit den Genomsequenzen , einen Katalog von RNA-Editierungsstellen und -raten zu haben, wird die zukünftige Arbeit erheblich erleichtern.“

Warum haben diese Kopffüßer den Schnitt gemacht?

Diese drei Kopffüßerarten wurden aufgrund ihrer vergangenen und zukünftigen Bedeutung für die wissenschaftliche Forschung für die Untersuchung ausgewählt. „Wir können viel über ein Tier lernen, indem wir sein Genom sequenzieren, und das Genom stellt ein wichtiges Instrumentarium für jede Art von zukünftigen Untersuchungen dar“, sagte Albertin.

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