Транскриптомика объясняет, как 15 видов вьюрков эволюционировали от одного предка

Вьюрки Дарвина демонстрируют огромное разнообразие формы и размера клюва, которое коррелирует с диетой. Проект Finch Evo-Devo, финансируемый ЕС, использовал геномику и транскриптомику, чтобы объяснить, как 15 видов вьюрков эволюционировали от одного предка, попавшего на Галапагосские острова.

Согласно эволюционной биологии развития (evo-devo), большинство биологических форм взрослых особей уже можно наблюдать во время эмбрионального развития. У вьюрков Дарвина разные формы и размеры клюва очевидны уже у поздних эмбрионов. Это показывает, что морфология клюва генетически детерминирована и не зависит от факторов окружающей среды после вылупления.

Модульная эволюция

Предыдущие исследования группы с использованием математического моделирования показали, что формы клювов можно разделить на три группы. Размер варьируется внутри каждой группы, а группы различаются по кривизне клюва.

Было обнаружено, что во время эмбрионального развития видов из группы A три измерения клюва — длина, ширина и глубина, а также две ткани, из которых он образуется (хрящ и кость), регулируются независимо разными сигнальными путями.

Отдельные модули развития позволяют им варьироваться независимо, увеличивая общее разнообразие, что может объяснить невероятное разнообразие живых существ.

Геномика плюс — где, когда и сколько

Сравнительное полное секвенирование транскриптома — это "геномика плюс". Если геномика дает информацию о "рецептах" построения тела, то транскриптомика показывает, как эти рецепты выполняются, раскрывая детали того, где и когда активны гены развития.

Команда сравнила состав мРНК в ткани зачатка клюва в момент формирования его формы. В настоящее время команда проверяет подмножество новых генов-кандидатов. Тесты "усиления" и "потери" функции с помощью генетически модифицированных вирусов, несущих целевой ген, на эмбрионах кур выявят их роль в морфогенезе клюва.

Значимые результаты

Проект успешно оптимизировал новый протокол для будущего использования, и транскриптом был секвенирован для всех трех групп вьюрков Дарвина.

Различия в экспрессии между видами вместе со знанием генетических сетей положили начало выяснению сложной регуляции формирования кривизны клюва. На сегодня команда проверила некоторые из лучших генов-кандидатов с помощью гибридизации in situ — метода, который помогает обнаружить точное местоположение экспрессии гена в срезах эмбрионов.

Успешная экспедиция на Галапагосские острова обеспечила достаточное количество образцов эмбрионов для завершения работы. Результаты скоро будут опубликованы.

Планы на будущее и применение

Следующие шаги — завершить валидацию выявленных генов и сетей. Для этого требуется дополнительное финансирование, отсутствие которого до сих пор сдерживало прогресс исследований.

Результаты проекта могут иметь значительное применение в области генетики развития, и не только для вьюрков. Новый разработанный протокол лежит в самой основе генетики развития и может стать основой для исследований развития других организмов.