När två djur ser likadana ut, äter likadant, beter sig på samma sätt och lever i liknande miljöer kan man förvänta sig att de tillhör samma art.
Ett litet djurplankton som skummar havets ytor av mikroskopiska matpartiklar utmanar dock detta antagande. Forskare från Osaka University, University of Barcelona och Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) har analyserat genomet av Oikopleura dioica från Seto Inlandshav, Medelhavet och Stilla havet runt Okinawaöarna, och genom att göra det har väckt många frågor om artbildning och rollen av genplacering i genomet.
Deras resultat har publicerats i Genome Research . "Oikopleura öppnar nya vägar för genomisk forskning", säger Dr Charles Plessy från Genomics and Regulatory Systems Unit vid OIST och medförfattare till artikeln.
"Som modelldjur tillåter det oss att studera mekanismerna för genomförändringar i labbet när de sker i mycket stor skala och hastighet, vilket är en enorm möjlighet."
Oikopleura dioica är ett litet djurplankton som bebor havsytan över hela världen och som används som modellorganism inom utvecklingsbiologin.
Som ett chordat delar organismen viktiga genetiska och utvecklingsmässiga egenskaper med ryggradsdjur, inklusive närvaron av en notokord, som är ett ackordliknande centralnervknippe som en ryggrad, men utan ben. Dessutom underlättar dess kompakta genom, det minsta icke-parasitära djurgenomet som hittills rapporterats, storskalig genomisk analys.
Forskarna arbetade på tre linjer av Oikopleura dioica provtagna från tre hav runt om i världen, men även om de morfologiska, beteendemässiga och ekologiska egenskaperna hos linjerna är praktiskt taget desamma, skiljer sig genomerna enormt åt.
Tänk på genomet som ett delat språk mellan alla medlemmar av en enda art, lagrat i kärnan i varje cell och som innehåller den kompletta uppsättningen genetiskt material för att göra den arten. Liksom hur grammatik bestämmer arrangemanget av ord för att förmedla specifika betydelser, så regleras också de grundläggande enheterna av information i genomet – generna – i förhållande till varandra när de transkriberas och översätts till livets grundläggande byggstenar, proteiner .
Genreglering involverar flera faktorer som påverkar aktiveringen eller hastigheten av gentranskription, såsom andra gener, molekyler i cellen, hormoner och många andra.
Det som är förbryllande med Oikopleura dioica-genomet är att språken i de tre linjerna inte verkar matcha, trots att de har nästan identiska fysiska egenskaper. Det vill säga, "innebörden" som produceras av deras gener är för det mesta densamma, medan de genomiska språken är väldigt olika mellan dem.
Forskarna använder termen "scrambling" för att beskriva det fenomen som observeras i Oikopleura dioica, en term som har sitt ursprung i lingvistik för att beteckna ett fenomen där meningar formuleras med en mängd olika ordföljder utan någon förändring i betydelse.
Även om detta fenomen inte förekommer på engelska (men gör det på japanska och andra språk), skulle ett engelskt exempel vara om meningen "genomet för Oikopleura dioica är mycket förvrängt" skulle kunna omarrangeras till "högt förvrängd Oikopleura dioica genomet av är" utan betydelseförändring. Medan genomiska omarrangemang är gemensamma för alla arter, och genomförvrängning har observerats i ett fåtal arter under mycket lång tid, överträffar Oikopleura dioica vad man tidigare trodde var möjligt.
Utvecklingen i rasande fart
Forskarna jämförde de genetiska sekvenserna för de tre linjerna, vilket ledde till att de uppskattade att de delade en gemensam förfader för cirka 25 miljoner år sedan, där linjerna från Barcelona och Osaka var närmare besläktade än Okinawa-linjen, efter att ha avvikit ~7 miljoner år sedan. Som jämförelse avvek människor från möss för 75-90 miljoner år sedan.
Från sina fylogenetiska analyser uppskattade forskarna graden av genomiska omarrangemang för olika arter som ett kvantifierbart mått på hur snabbt de utvecklas. Av detta fann forskarna att andelen Oikopleura dioica är mer än tio gånger högre än jämförbara arter av Ciona-havssprutor.
Som Dr. Michael J. Mansfield från enheten och medförsta författare på tidningen uttrycker det, "Oikopleura är ett av de snabbast utvecklande djuren i världen. Djur, särskilt chordater, ordnar normalt inte om sina genom i denna utsträckning , med denna hastighet."
Med all denna genomförvrängning som äger rum mellan Oikopleura dioica-linjerna, ur ett genomiskt perspektiv är det mystifierande att de kan behålla sådana liknande egenskaper.
"Våra resultat tyder på att även om genomisk organisation är viktig, särskilt för något så komplext som människor, bör vi inte glömma de individuella generna", föreslår Dr. Plessy. Att studera gener och genom kan erbjuda två olika perspektiv på samma fenomen - som Dr. Mansfield förklarar det:"Det finns forskare som studerar anatomi och andra som studerar individuella neuroner - men båda svarar på frågor om hjärnan."
Genomförvrängning ställer viktiga frågor om evolution och klassificering av liv i arter. Å ena sidan visar forskarna att även om de tre linjerna av Oikopleura dioica är praktiskt taget identiska morfologiskt och funktionellt, är deras genom extremt förvrängda, vilket kan tyda på att de tillhör olika arter, även om forskarna betonar att deras avsikt inte är att klassificera dem här. Å andra sidan kan det förvrängda men ändå analoga genuttrycket varna för ett överdrivet beroende av genomik för att klassificera arter.
Men i slutändan, "arter behöver inte oss. Om du tar bort människor är djuren desamma - det spelar ingen roll hur vi klassificerar dem", som Dr. Plessy uttrycker det. Istället är artbegreppet flytande, beroende på om det är i bevarandesyfte, för lagstiftning, som mikrobiolog eller zoolog, eller vad anledningen nu är. "Frågan 'vad är en art?' kan besvaras med en annan fråga:varför frågar du?"
För Dr. Plessy, Dr. Mansfield och deras medarbetare runt om i världen är denna artikel kulmen på en lång process av att odla olika linjer av Oikopleura dioica och utveckla bioinformatiska verktyg som kan analysera deras kaotiska genom. Professor Nicholas Luscombe, chef för enheten vid OIST, är optimistisk om studiens och djurens forskningspotential.
"Vi antog först att alla Oikopleura skulle ha liknande genom, men vi blev förvånade över att se så enorma skillnader med så mycket förvrängning mellan dem. Vi vill använda Oikopleura för att lära oss mer om naturen hos genomiska omarrangemang."
Det här är bara början – forskarna är långt ifrån klara med att studera det gåtfulla djurplanktonet. "Vi har redan lärt oss så mycket av Oikopleura, men vi har ännu inte utforskat hela mångfalden av arterna i global skala", säger Dr. Plessy.
Dr. Mansfield citerar den store biologen Jacques Monod med "vad som är sant för E. coli är sant för elefanten" - med de verktyg som utvecklats för denna studie kan teamen nu rikta sin uppmärksamhet mot andra arter. "Vi tänkte att alla Oikopleura dioica var likadana, men vi har visat motsatsen. Hur ofta är det sant för andra arter, och hur mycket mer finns det att veta om mekanismerna för genomförvrängning?"
Mer information: Charles Plessy et al, Extreme genome scrambling in marine plankonicOikopleura dioicacryptic species, Genome Research (2024). DOI:10.1101/gr.278295.123
Journalinformation: Genomforskning
Tillhandahålls av Okinawa Institute of Science and Technology
