Przełomowe badanie ujawnia kluczową rolę starożytnego genu w kształtowaniu unikalnej talii, która jest cechą charakterystyczną anatomii pająków.

Zespół badawczy pod kierownictwem Emily Setton z University of Wisconsin-Madison dostarczył nowych informacji na temat rozwoju embrionalnego pająków, rzucając światło na gen, który do tej pory pozostawał w dużej mierze niezbadany.

Odkrycie to nie tylko pogłębia naszą wiedzę na temat anatomii pająków, ale także podważa istniejące teorie dotyczące ewolucji stawonogów.

Pająki posiadają unikalną budowę ciała charakteryzującą się wyraźną talią, która oddziela ich przednią i tylną część. W przeciwieństwie do owadów i skorupiaków, które były szeroko badane, geny odpowiedzialne za tę charakterystyczną cechę u pająków pozostały w dużej mierze nieznane.

W interakcji z Ciekawa inżynieria (TJ), wyjaśnił Setton: „Ogólnie uważa się, że ewolucja planu budowy ciała stawonogów jest wynikiem zróżnicowanej ekspresji tych samych głównych genów — uważa się, że niewielkie modyfikacje wzorców ekspresji genów powodują poważne zmiany w budowie stawonogów”.

„Uważa się, że dotyczy to również wzorcowania segmentów stawonogów przez konserwatywne zestawy genów segmentacji”.

Rola genu „bez talii”

Aby poznać mechanizmy genetyczne stojące za talią pająka, Setton i jej współpracownicy zsekwencjonowali geny wyrażane w zarodkach teksańskiego ptasznika brunatnego (Aphonopelma hentzi) na różnych etapach rozwoju.

Ich analiza zidentyfikowała 12 genów kandydujących o zróżnicowanej ekspresji po obu stronach pasa pająka. Wyciszając te geny w zarodkach pospolitego pająka domowego (Parasteatoda tepidariorum), zidentyfikowali kluczowy gen nazwany „waist-less”.

Gen „waist-less” należy do rodziny genów Iroquois, znanej ze swojej roli w różnych procesach rozwojowych u owadów i kręgowców. Jednak rodzina genów Iroquois nie była wcześniej kojarzona z rozwojem talii u pająków.

Analiza historii ewolucji tej rodziny genów ujawniła, że ​​gen „bez talii” został utracony u wspólnego przodka owadów i skorupiaków. Ta utrata wyjaśnia brak badań nad tym genem w poprzednich badaniach, które koncentrowały się głównie na modelach owadów i skorupiaków.

W komunikacie prasowym Setton zauważył: „Nasza praca zidentyfikowała nowy i nieoczekiwany gen zaangażowany w modelowanie kultowego planu ciała pająka. Szerzej rzecz ujmując, praca ta podkreśla funkcję nowych genów w starożytnych grupach zwierząt”.

Implikacje dla ewolucji i rozwoju stawonogów

Odkrycie genu „bez talii” podważa panujące założenia dotyczące ewolucji stawonogów. Tradycyjnie uważano, że plany budowy ciała stawonogów ewoluowały poprzez niewielkie modyfikacje w ekspresji genów rdzeniowych, w tym tych zaangażowanych w segmentację.

Model ten sugerował, że za wzorce segmentowe odpowiadają podobne geny u różnych stawonogów.

Setton wyjaśnił, że uważa się, iż ewolucja planu budowy ciała stawonogów wynika z niewielkich zmian w ekspresji genów rdzeniowych, wpływających na wzorzec segmentów.

Odkrycie genu „bez talii” sugeruje, że ten paradygmat może być zbyt uproszczony. „Odkrycie genu bez talii pokazuje, że ten paradygmat może być zbyt uproszczony” – powiedział Setton TJ.

„Poza jednym wyjątkiem, regulatory wyższego poziomu szlaku segmentacji (nazywane genami 'przerwy’ lub genami 'segmentacji przerw’) nie wydają się być silnie zachowane w liniach rozwojowych stawonogów i nie wiemy dokładnie, które geny odpowiadają za wzorce tylnych segmentów u grup takich jak pająki i stonogi”.

Badania podkreślają, że homologiczne struktury mogą być wzorowane przez geny specyficzne dla taksonu, a nie przez uniwersalnie konserwowany zestaw genów. Podkreśla to znaczenie eksploracji organizmów niemodelowych w celu odkrycia nieodkrytych funkcji genów w genomach zwierząt.

Przyszłe kierunki i szersze implikacje

Wyniki mają również znaczenie dla zrozumienia ewolucyjnej dywergencji stawonogów. Chociaż odkrycie potwierdza ustaloną monofiletyczność Pancrustacea, która łączy skorupiaki i owady, nie zmienia ono znacząco obecnego zrozumienia filogenetycznego relacji stawonogów.

Setton wspomniał dalej, że TJ„Ten wynik jest zgodny z monofiletyzmem Pancrustacea, podgrupą stawonogów, która łączy skorupiaki i owady. Jednak Pancrustacea została ustalona ponad dwadzieścia lat temu na podstawie danych sekwencji molekularnych, więc nasz wynik nie ma dużego wpływu na filogenetyczne zrozumienie relacji między stawonogami”.

Patrząc w przyszłość, zespół badawczy bada rolę genów Irokezów u innych stawonogów i starożytnych grup zwierząt. „Badania nad muszką owocową i rozwojem kręgowców wykazały, że geny Irokezów odgrywają kluczową rolę w rozwoju serca, wzorowaniu grzbietowo-brzusznym i neurogenezie” — zauważył Setton.

„Co ciekawe, wiele linii kręgowców i bezkręgowców ma własne, unikalne duplikacje genów członków rodziny genów Irokezów, co otwiera możliwości nowych funkcji lub labilności funkcjonalnej między kopiami genów” – powiedziała TJ.

Zespół bada obecnie funkcję Iroquois3, homologa „bez talii”, w tworzeniu wzorów nóg u daddy-longlegs (kosiarzy). Setton zasugerował przyszłe badania, stwierdzając: „Badamy rolę Iroquois3 w tworzeniu wzorów nóg u daddy-longlegs (kosiarzy). Podejrzewamy, że Iroquois3 może odgrywać rolę w tworzeniu wzorów „czułkowatej” nogi kosiarza — smukłej i wydłużonej nogi, która jest używana bardziej do wyczuwania otoczenia niż do chodzenia”.

Badanie opublikowano 29 sierpnia w Biologia PLOS.