Биология

Ученые обнаружили, что генетическая программа формирования пальцев у сухопутных животных могла возникнуть из маловероятного источника. Ключ к разгадке лежал в некодирующих областях генома.

Миллионы лет назад наши предки начали колонизировать сушу, трансформируясь из рыб в многочисленные виды позвоночных, снабженных, среди прочего, ступнями, кистями и пальцами. Понимание того, как возникли эти конечности, остается одной из старейших научных загадок.

Ученые предполагают, что пальцы животных и плавники рыб эволюционно связаны. Они могли начинаться в рамках одной генетической программы, но детали их происхождения остаются предметом научной дискуссии.

Международная группа исследователей выяснила, что для создания пальцев в процессе эволюции был использован древний регион генома, изначально отвечавший за формирование клоаки, а не плавников. Исследование опубликовано в журнале Nature.

Биологи изучали не только гены, вовлеченные в развитие самих пальцев, но и исследовали обширные некодирующие области генома, которые контролируют экспрессию и активацию. Эти регионы называют «регуляторными ландшафтами». Они гораздо крупнее кодирующих областей, составляющих около двух процентов генома. Некодирующие области можно назвать диспетчерскими экспрессии генов.

Исследователи работали с геномами мышей и рыб данио-рерио. Сначала они выделили одинаковый для двух видов регуляторный ландшафт, участвующий в развитии пальцев у мышей. Затем биологи удалили эту крупную область ДНК у рыб с помощью технологии CRISPR/Cas9 и стали наблюдать за эмбриональными этапами развития рыб.

Изменение привело к потери экспрессии гена в области клоаки, а не в плавниках. Клоака — орган, в котором у многих видов встречаются конечные отделы кишечной, выделительной и репродуктивной систем. Такой неожиданный результат ученые объяснили тем, что эта область оказалась повторно использована в процессе эволюции у наземных позвоночных для развития пальцев.

«Общая черта клоаки и пальцев в том, что они представляют собой терминальные части (структуры, расположенные на конце биологической оси или системы — прим. редакции). Иногда это конец трубок пищеварительной системы, иногда — конец ступней и кистей, то есть пальцы. Таким образом, и те, и другие кодируют конец чего-либо», — поясняет Орели Хинтерманн (Aurélie Hintermann), автор исследования, выполненного в рамках ее диссертации.

Интересующие ученых регуляторные ландшафты контролируют активацию генов Hox, известных как гомеозисные или «гены-архитекторы». Они определяют положение и идентичность сегментов или органов, управляют ростом и специализацией тканей. Эти гены находятся на вершине сложной сети из тысяч операционных генов, контролируя их экспрессию. Мутация в этих генах может привести к значительным анатомическим изменениям. Для эволюции работа этих генов крайне важна.

«То, что эти гены вовлечены в данный процесс, — яркий пример того, как эволюция создает новое, перерабатывая старое. Вместо того чтобы строить новую регуляторную систему для пальцев, природа перепрофилировала существующий механизм, изначально активный в клоаке», — комментирует профессор Дени Дюбул (Denis Duboule), инициатор исследования.

На основании полученных данных ученые заключили, что в первую очередь эволюционировала архитектура регуляции операционных и кодирующих генов. Иногда целый генетический регион мог быть переработан в другом морфологическом контексте. Теперь для исследователей фокус переместился с вопроса о том, где эти изменения появляются в геноме, на то, каким образом они происходят.