راز کمر بالرینای عنکبوت از طریق خاموش‌سازی و تعیین توالی ژن‌ها آشکار شد
یک مطالعه پیشگام نقش حیاتی یک ژن باستانی در شکل‌گیری کمر منحصر به فردی که آناتومی عنکبوت را مشخص می‌کند، آشکار کرده است.
این تحقیق که توسط امیلی ستون از دانشگاه ویسکانسین-مدیسون هدایت شده است، بینش‌های جدیدی درباره توسعه جنینی عنکبوت‌ها ارائه داده است و درباره یک ژن که تا کنون به‌طور عمده مورد مطالعه قرار نگرفته بود، روشن کرده است.
این کشف نه تنها فهم ما از آناتومی عنکبوت‌ها را بهبود می‌بخشد، بلکه نظریه‌های موجود درباره تکامل بندپایان را به چالش می‌کشد.
عنکبوت‌ها دارای طرح بدنی منحصر به فردی هستند که توسط یک کمر برجسته مشخص می‌شود که بخش‌های جلویی و عقبی بدن آنها را جدا می‌کند. برخلاف حشرات و سخت‌پوستان که به‌طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته‌اند، ژن‌های مسئول این ویژگی خاص در عنکبوت‌ها به‌طور عمده ناشناخته باقی مانده بودند.
در یک تعامل با مهندسی جالب (IE)، ستون توضیح داد: «به‌طور کلی فکر می‌شود که تکامل طرح بدنی بندپایان نتیجه بیان تفاضلی از ژن‌های اصلی است - تغییرات جزئی در الگوهای بیان ژنی گفته می‌شود که به تغییرات بزرگی در معماری بندپایان منجر می‌شوند.»
«گمان می‌رود که این مسئله برای الگوی‌بندی بخش‌های بندپایان توسط مجموعه‌های محافظت‌شده از ژن‌های تقسیم‌بندی نیز صدق می‌کند.»
نقش ژن 'waist-less'
برای کشف مکانیزم‌های ژنتیکی پشت کمر عنکبوت، ستون و همکارانش ژن‌های بیان شده در جنین‌های ترانتولای قهوه‌ای تگزاس (Aphonopelma hentzi) را در مراحل مختلف توسعه تعیین توالی کردند.
تحلیل آنها ۱۲ ژن کاندید با بیان متفاوت در دو طرف کمر عنکبوت شناسایی کرد. با خاموش کردن این ژن‌ها در جنین‌های عنکبوت خانه معمولی (Parasteatoda tepidariorum)، آنها به یک ژن حیاتی به نام 'waist-less' دست یافتند.
ژن 'waist-less' به خانواده ژن‌های Iroquois تعلق دارد که برای نقش‌های خود در فرآیندهای توسعه‌ای مختلف در حشرات و مهره‌داران مشهور است. با این حال، خانواده ژن‌های Iroquois قبلاً با توسعه کمر در عنکبوت‌ها مرتبط نشده بود.
تحلیل تاریخ تکاملی این خانواده ژنی نشان داد که ژن 'waist-less' در جد مشترک حشرات و سخت‌پوستان از بین رفته است. این از دست دادن توضیح می‌دهد که چرا تحقیقاتی در مورد این ژن در مطالعات قبلی که عمدتاً بر مدل‌های حشرات و سخت‌پوستان تمرکز داشتند، انجام نشده است.
در بیانیه خبری، ستون تحسین کرد : «کار ما یک ژن جدید و غیرمنتظره درگیر در الگوی‌بندی طرح بدنی نمادین عنکبوت شناسایی کرد. به‌طور کلی، این کار به نقش ژن‌های جدید در گروه‌های باستانی حیوانات تأکید دارد.»
پیامدهای تکامل و توسعه بندپایان
کشف ژن 'waist-less' فرضیات رایج درباره تکامل بندپایان را به چالش می‌کشد. به‌طور سنتی، باور بر این بود که الگوهای بدنی بندپایان از طریق تغییرات جزئی در بیان ژن‌های اصلی، از جمله ژن‌های درگیر در تقسیم‌بندی، تکامل یافته‌اند.
این مدل پیشنهاد می‌دهد که ژن‌های مشابه در بین بندپایان مختلف مسئول الگوی‌بندی بخش‌های تقسیم‌بندی هستند.
ستون توضیح داد که تکامل طرح بدنی بندپایان به تغییرات جزئی در بیان ژن‌های اصلی نسبت داده می‌شود که بر الگوی‌بندی بخش‌ها تأثیر می‌گذارد.
کشف ژن 'waist-less' نشان می‌دهد که این پارادایم ممکن است بسیار ساده باشد. «کشف waist-less نشان می‌دهد که این پارادایم ممکن است ساده‌سازی‌شده باشد»، ستون به IE گفت.
«به جز یک استثنا، تنظیم‌کننده‌های سطح بالای مسیر تقسیم‌بندی (موسوم به 'ژن‌های gap' یا 'ژن‌های تقسیم‌بندی gap') ظاهراً به‌طور قوی در خط‌های بندپایان محافظت شده نیستند و ما دقیقاً نمی‌دانیم کدام ژن‌ها بخش‌های خزنده‌های عقبی گروه‌هایی مانند عنکبوت‌ها و صدپایان را الگو می‌دهند.»
این تحقیق نشان می‌دهد که ساختارهای همولوگ ممکن است توسط ژن‌های خاص تاکسون الگو شوند نه مجموعه‌ای جهانی محافظت شده از ژن‌ها. این تأکید بر اهمیت کاوش گونه‌های غیرمدل برای کشف نقش‌های ناشناخته ژن‌ها در ژنوم حیوانات دارد.
جهت‌های آینده و پیامدهای گسترده‌تر
یافته‌ها همچنین پیامدهایی برای درک تفاوت تکاملی درون بندپایان دارند. اگرچه این کشف حمایت از مونوفیلی پانکروستاسه، که سخت‌پوستان و حشرات را متحد می‌کند، می‌کند، اما فهم فعلی فیلوجنتیک روابط بندپایان را به‌طور قابل توجهی تغییر نمی‌دهد.
ستون به IE اشاره کرد: «این نتیجه با مونوفیلی پانکروستاسه، زیر مجموعه‌ای از بندپایان که سخت‌پوستان و حشرات را متحد می‌کند، موافق است. اما پانکروستاسه بیش از بیست سال پیش توسط داده‌های توالی مولکولی اثبات شده بود، لذا نتیجه ما به‌طور چشمگیری فهم فیلوجنتیک روابط بندپایان را تأثیر نمی‌گذارد.»
در نگاهی به آینده، تیم تحقیقاتی در حال بررسی نقش ژن‌های Iroquois در سایر بندپایان و گروه‌های باستانی حیوانات است. «تحقیقات در مورد توسعه مگس میوه و مهره‌داران نشان داده است که ژن‌های Iroquois نقش‌های کلیدی در توسعه قلب، الگوی‌بندی پشتی-شکمی و نوروژنز دارند»، ستون اشاره کرد.
او به IE گفت: «بسیاری از خط‌های مهره‌داران و بی‌مهرگان خوشبختانه تکثیر منحصر به فردی از اعضای خانواده ژن Iroquois دارند، باز کردن احتمالات برای عملکردهای جدید یا انعطاف عملکردی بین نسخه‌های ژنی.»
تیم در حال حاضر در حال بررسی نقش Iroquois3، همولوگ 'waist-less'، در الگوی‌بندی پاهای عنکبوتی بلند (harvestmen) هستند. ستون به مطالعات آینده اشاره کرد و گفت: «ما در حال بررسی نقش Iroquois3 در الگوی‌بندی پاهای عنکبوتی بلند (harvestmen) هستیم. ما مشکوکیم که Iroquois3 ممکن است در الگوی‌بندی پای 'antenniform' عنکبوت عنکبوتی بلند نقش داشته باشد - پایی متنوع و کشیده که بیشتر برای حس کردن محیط استفاده می‌شود تا برای راه رفتن.»
این مطالعه در ۲۹ اوت در PLOS Biology منتشر شد.
