Hoppande gener, aka transposoner, kanske är obekanta för de flesta av oss, men de finns med i två nyare studier som rör marina varelser uppskattade av dykare – bläckfiskar och sjödragkar – och kan förklara några av mysterierna kring dessa varelser.
En transposon är en DNA-sekvens som har förmågan att röra sig inom ett genom, den uppsättning DNA-instruktioner som finns i en cell. Transposoner kan blanda eller duplicera sig själva, med hjälp av molekylära kopiera-och-klistra eller till och med klipp-och-klistra mekanismer, och kan orsaka snabba genetiska förändringar när de sätter in sig själva i mitten av eller nära en gen, vilket förhindrar att genen fungerar normalt.
Transposoner utgör 45 % av genomet i den mänskliga hjärnan, men nu har de hittats för första gången i hjärnan på ett ryggradslöst djur, bläckfisk – och det kan bara förklara dess bevisade höga intelligensnivå.
Studien genomfördes av ett internationellt team på 20 forskare koordinerat av Remo Sanges från Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA) i Trieste och Graziano Fiorito från Stazione Zoologica Anton Dohrn (SZAD) i Neapel.
Bläckfiskarnas "extremt komplexa" hjärna och kognitiva förmågor är unika bland ryggradslösa djur, säger forskarna, och de tror att hoppgener är nyckeln till denna ryggradsliknande komplexitet efter att ha hittat dem i hjärnan hos båda de vanliga bläckfisk (Bläckfisk vulgaris) och kaliforniska bläckfisk (Bläckfisk bimaculoides).
Som hos människor är vissa transposoner inaktiva eftersom de har ackumulerat mutationer över tiden medan andra, även om de är intakta, blockeras av cellulära försvarsmekanismer - även om till och med fragment och trasiga kopior av transposoner kan ge råmaterial för evolution, säger forskarna.
De mest relevanta transposonerna, kända som Long Interspersed Nuclear Elements (LINE), förblir potentiellt aktiva. Tidigare ansetts vara bara rester av det avlägsna förflutna, nyligen genomförd forskning har visat att LINE-aktivitet är finreglerad i hjärnan, särskilt i hippocampusområdet, och kan associeras med kognitiva förmågor som inlärning och minne.
Bläckfiskgenomet är rikt på transposoner. De flesta är inaktiva, men genom att använda de senaste sekvenseringsteknikerna för att fokusera på de som fortfarande kan kopiera och klistra, identifierade forskarna en del av LINE-familjen i delar av bläckfiskhjärnan som är avgörande för kognitiva förmågor.
"Jag hoppade bokstavligen på stolen när jag under mikroskopet såg en mycket stark signal om aktivitet av detta element i den vertikala loben, strukturen i hjärnan som i bläckfisken är sätet för inlärning och kognitiva förmågor - precis som hippocampus hos människor, säger Giovanna Ponte från SZAD.
"Upptäckten av ett element av LINE-familjen som är aktivt i hjärnan hos de två bläckfiskarterna är mycket betydelsefullt, eftersom det ger stöd till idén att dessa element har en specifik funktion som går utöver kopiera-och-klistra", säger Sanges. Studien publiceras i BMC biologi.
Seadragon ser ut
När det gäller sjödragoner, som bara finns i det vilda i Australien, kan transposoner förklara dessa distinkta utseenden som är så uppskattade av undervattensfotografer, enligt forskare vid University of Oregon.
Genom att sekvensera arvsmassan för både ogräsartade och lummiga varianter av seadragon fann forskarna att en nyckelgrupp av generna som hos andra ryggradsdjur styr utvecklingen av ansiktet, tänderna, bihangen och delar av nervsystemet saknades.
"Seadragons är udda i en grupp av redan udda fiskar," observerade forskningsassistent Prof Clay Small, med hänvisning till deras nära släktingar i Syngnathidae familj, sjöhästar och pipfiskar.
"Det finns ett stort intresse för hur formbara för evolution saker som huvudet och ansiktet är," sa senior forskarassistent Susie Bassham, som ledde studien tillsammans med Small. "Och seadragons kan vara bra fallstudier för den typen av frågor på grund av de extrema skillnaderna som de har utvecklats ganska snabbt." Tillsammans med sjöhästar och pipfiskar förgrenade de sig för cirka 50 miljoner år sedan, sa hon, "vilket är relativt nyligen enligt evolutionära standarder".
Genom att få sällsynt tillgång till vävnadsprover genom Birch Aquarium vid Scripps Research och Tennessee Aquarium analyserade forskarna sjödragarnas genetiska sekvenser och de hos sjöhästar och pipfiskar. Jämfört med benfiskar som zebrafisk och sticklebacks, alla Syngnathidae saknade generna som styr utvecklingen, men till skillnad från sina släktingar innehöll sjödragoner också högre än vanligt mängder transposoner.
Ett specialiserat röntgenmikroskop användes för att fånga en högupplöst 3D-bild av en 30 cm ogräsig sjödrake (Phyllopteryx taeniolatus). Den skannades i sektioner, med bilderna sammanfogade för att bilda en komplett bild som avslöjade de finaste detaljerna i sjödragens ben.
"Ingen hade någonsin avbildat någon del av en sjödrake tidigare på det sättet," sa Bassham. "Vi kunde se att stödstrukturerna för de lummiga paddlarna verkade vara utarbetningar av ryggar, och sedan lades de köttiga bihangen till ändarna." Hon sa att detta förstärkte tanken att det som verkade vara prydnadsbihang utvecklades från ryggar.
Teamet hoppas att göra seadragons genomsekvenser offentligt tillgängliga kommer att hjälpa till att förstå hur de konstiga varelserna utvecklats, såväl som i ansträngningarna att bevara dem. Deras studie publiceras i Förhandlingar av National Sciences of Sciences.
Även på Divernet: Har du knäppt en Seadragon?, Ta hand om Drakens Lair, Ruby Seadragons gör livedebut
