溜冰鞋是如何学会在水中飞行的
小冰鞋在海底翩翩起舞：它巨大的前鳍在沙层下掠过时起伏不定。凭借其斑驳的沙色伪装，这只动物很容易被忽视。
柏林 Max Delbrück 中心、塞维利亚安达卢西亚发育生物学中心 (CABD) 和其他实验室的科学家们通过观察 DNA 发现了鳐鱼如何进化出这些斗篷状的鳍。他们发现，鳐鱼鳍进化的关键不在于其基因组的编码区，而在于非编码位和它折叠成的三维复合体。这些 3D 结构称为“拓扑关联域”(TAD)。
国际团队在《自然》杂志 上描述了改变 TAD 的基因组变化可以推动进化。直到最近，基因组进化主要集中于研究 DNA 序列水平的变异，而不是 3D 基因组结构。“这是一种思考基因组如何进化的新方法，”Max Delbrück 中心的遗传学家、该研究的主要作者之一 Darío Lupiáñez 博士说。
“虽然我们不久前发现独特的基因表达模式形成了特别宽的冰鞋鳍，但基因组中潜在的调控变化以前仍然未知，”共同作者、罗格斯大学发育生物学家 Tetsuya Nakamura 博士说。
4.5 亿多年前，一种原始鱼类(所有脊椎动物的祖先)的基因组复制了两次。遗传物质的扩展推动了包括人类在内的 60,000 多种脊椎动物的快速进化。我们最远的脊椎动物亲属之一 是小溜冰鞋(Leucoraja erinacea)，它们属于软骨鱼类的一个谱系，包括鲨鱼和鳐鱼。这些远亲是了解使我们成为人类的特征进化的理想生物，例如成对的附肢。“鳐鱼是一种叫做软骨鱼的软骨鱼类。它们被认为与祖先的脊椎动物更相似，”CABD 的发育生物学家、第一作者之一克里斯蒂娜·帕利乌 (Christina Paliou) 博士说。“我们可以将溜冰鞋的特征与其他物种进行比较，并确定哪些是新颖的，哪些是祖先的。”
进化基因组学的激动人心的时刻
2017 年，来自 CABD 的已故进化基因组学奠基人 José Luis Gómez-Skarmeta 博士召集了来自世界各地的科学家来研究滑冰进化：具有基因组进化专业知识的实验室，例如大学学院的 Ferdinand Marlétaz 实验室London 和 Daniel Rokhsar 在加州大学伯克利分校的滑板生物学实验室，如芝加哥大学的 Neil Shubin 实验室，Tetsuya Nakamura 当时就在那里(现在在罗格斯大学)，在 3D 基因调控方面，如 CABD 的 Juan Tena , Darío Lupiáñez 和 Gómez-Skarmeta 实验室，以及其他合作者。Gómez-Skarmeta 对了解基因组如何在结构和功能上进化以促进新特征的出现很感兴趣。“在很大程度上，进化是在发育过程中改变基因表达调控的历史，
对于进化基因组学来说，这是一个激动人心的时刻。基因组测序技术有了显着改进，科学家们可以对端对端延伸几米的 DNA 如何折叠成直径为 0.002 英寸的细胞核获得新的见解。“DNA 在细胞核中的包装远非随机，”Lupiáñez 说。DNA 折叠成称为 TAD 的 3D 结构，其中包含基因及其调控序列。这些 3D 结构确保适当的基因在正确的时间在正确的细胞中打开和关闭。
Max Delbrück 中心的遗传学家和第一作者之一 Rafael Acemel 博士使用 Hi-C 技术进行了实验，以阐明 TAD 的 3D 结构。但一开始解释结果具有挑战性，因为科学家需要完整的滑冰基因组作为参考点。“当时，参考文献包含数千个无序的小 DNA 序列片段，所以这没有帮助，”Acamel 说。
为了克服这一困难，科学家们使用长读长测序技术和 Hi-C 数据，像拼图一样组装 DNA 片段，并将无序序列分配给滑染色体。有了新参考，使用 Hi-C 组装 TAD 的 3D 结构变得微不足道。
他们将这种改进的滑冰基因组与近亲鲨鱼的基因组进行了比较，以确定在滑冰进化过程中发生的任何 TAD 改变。这些改变的 TAD 包括Wnt/PCP通路的基因 ，这对鳍的发育很重要。在Hox基因附近的非编码序列中也存在溜冰鞋特异性变异 ，这也调节鳍的发育。“这个特定序列可以激活 鳍前部的几个Hox基因，这不会发生在其他鱼类或四足动物身上，”Paliou 说。随后，科学家们进行了功能性实验，证实这些分子变化有助于溜冰鞋进化出独特的鳍。
TAD 推动进化
较早的研究表明，TADs 的变化会影响基因的表达并导致人类疾病。在这项研究中，科学家们展示了 TADs 在推动进化方面的作用，这在以前也被注意到对鼹鼠的影响。
原始鱼类祖先复制其基因组后，许多未使用和冗余的部分随后丢失。Lupiáñez 说：“消失的不仅是基因，还有相关的调控元件和它们所包含的 TAD。” “我认为这是一个令人兴奋的发现，因为它表明基因组的 3D 结构对其进化有影响。”
Acemel 说，TAD 对于基因调控很重要，其中 40% 在所有脊椎动物中都是保守的。“然而，60% 的跨界动物动物疾病都以某种方式进化了。这些变化对物种进化的影响是什么?我认为我们只是触及了这一令人兴奋的现象的表面，”Acemel 说。
这种受 TAD 限制的进化机制可能在自然界中普遍存在。“我们怀疑这些机制可以解释我们在自然界中观察到的许多其他有趣的表型，”Lupiáñez 说。“通过添加这些新的基因表达、基因调控和 3D 染色质组织层，进化基因组学领域正在进入一个新的发现时代。”
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