Jak chyby „copy-and-paste“ vedly k letu hmyzu, maskování chobotnic a lidskému vnímání

Před sedmi sty miliony let se poprvé objevil nádherný tvor. I když to na dnešní poměry možná nebylo moc k pohledání, zvíře mělo přední i zadní stranu, svršek i spodek. V té době to byla převratná adaptace, která stanovila základní tělesný plán, který většina složitých zvířat, včetně lidí, nakonec zdědí.

Toto nenápadné zvíře obývalo moře starověké Země a pravděpodobně se plazilo po mořském dně. Toto byl poslední společný předek diploidů, velké skupiny zvířat včetně obratlovců (ryby, obojživelníci, plazi, ptáci a savci) a bezobratlých (hmyz, členovci, měkkýši, červi, ostnokožci a mnoho dalších).

K dnešnímu dni lze podle studie 20 různých druhů diploidů, včetně lidí, žraloků, jepic, stonožek a chobotnic, vysledovat více než 7 000 sad genů zpět k poslednímu společnému předku diploidů. Tato zjištění byla učiněna výzkumníky z Centra pro regulaci genomu (CRG) v Barceloně a dnes byla zveřejněna v časopise Ekologie a evoluce přírody.

Je pozoruhodné, že studie zjistila, že asi polovina těchto genů předků byla zvířaty přeměněna pro použití ve specifických částech těla, zejména v mozku a reprodukčních tkáních. Výsledky jsou překvapivé, protože staré, konzervované geny obvykle mají základní a důležité funkce vyžadované v mnoha částech těla.

Když se vědci podívali blíže, zjistili, že za to může řada chyb typu „copy-and-paste“, ke kterým došlo během binární evoluce. Například v rané historii obratlovců došlo k důležitému okamžiku. Skupina tkáňově specifických genů se poprvé objevila současně se dvěma událostmi duplikace celého genomu.

Zvířata si mohou ponechat jednu kopii pro základní funkce, zatímco druhá kopie může být použita jako surovina pro evoluční inovace. K takovým událostem v různé míře dochází konzistentně v celém binárním evolučním stromu.

„Naše geny jsou jako rozsáhlá knihovna receptů, které lze různě vařit a vytvářet nebo měnit tkáně a orgány, představte si, že jste náhodou skončili se dvěma verzemi receptu na paellu to.“ Extra verze je tak, že si místo toho uděláte rizoto.

„Teď si představte, že celá kniha receptů byla zkopírována – dvakrát – a možnosti, které otevírá pro evoluci,“ vysvětluje autorka Federica Mantica „Dědictví těchto událostí, ke kterým došlo před stovkami milionů let, stále žije v dnešní nejsložitější podobě zvířata.“ Pro článek a výzkumník v Centru pro regulaci genomu (CRG) v Barceloně.

Autoři studie našli mnoho příkladů nových tkáňově specifických funkcí, které umožnila specializace těchto genů předků. Například geny TESMIN a geny hrobky, které pocházejí od stejného předka, nakonec sehrály nezávisle specializovanou roli ve varlatech jak u obratlovců, tak u hmyzu. Jejich význam dokazuje skutečnost, že problémy s těmito geny mohou narušit produkci spermií, což ovlivňuje plodnost u myší a ovocných mušek.

Specializace na geny předků také položila některé základy pro evoluci komplexních nervových systémů. Například u obratlovců vědci našli geny důležité pro tvorbu myelinových pochev kolem nervových buněk, které jsou nezbytné pro rychlý přenos nervových signálů. U lidí také identifikovali FGF17, o kterém se předpokládá, že hraje důležitou roli při udržování kognitivních funkcí do vysokého věku.

U hmyzu se určité geny specializovaly na svaly a kutikulu a vytvořily kutikuly, které přispívají k jejich schopnosti létat. V kůži chobotnic se další geny specializovaly na vnímání světelných podnětů, což přispělo k jejich schopnosti měnit barvu, maskovat se a komunikovat s jinými chobotnicemi.

Zkoumáním vývoje druhů na úrovni tkání studie ukazuje, že změny ve způsobu použití genů v různých částech těla hrály velkou roli při vytváření nových a jedinečných vlastností u zvířat. Jinými slovy, když se v určitých tkáních začnou zapínat geny, může to vést k rozvoji nových fyzických vlastností nebo schopností, což v konečném důsledku přispívá k evoluci zvířete.

„Naše práce nás nutí přehodnotit role a funkce, které hrají geny, ukazuje nám, že geny, které jsou nezbytné pro přežití a byly uchovány po miliony let, mohou v evoluci snadno získat nové funkce.

„Odráží proces vyvažování v evoluci mezi udržováním životně důležitých rolí a zkoumáním nových cest,“ uzavírá profesor výzkumu ICREA Manuel Eremia, spoluautor článku a výzkumník z Centra pro regulaci genomu.