Nature: Эволюция переиспользовала гены формирования клоаки для создания пальцев
Миллионы лет назад предки современных позвоночных начали приспосабливаться к жизни на суше, эволюционируя из водных существ в разнообразные формы с конечностями. Исследователи активно изучают механизмы, которые привели к возникновению конечностей.
Существует предположение, что пальцы животных и плавники рыб имеют общую генетическую основу, возникшую в рамках единой генетической программы. Однако детали этого процесса до сих пор являются предметом научных дискуссий.
Международная группа биологов обнаружила, что эволюция использовала древний генетический участок, изначально отвечавший за развитие клоаки, для формирования пальцев у наземных позвоночных. Результаты исследования были опубликованы в престижном научном журнале Nature.
В ходе эксперимента ученые проанализировали не только кодирующие гены, но и обширные некодирующие области генома, регулирующие экспрессию и активацию генов, известные как регуляторные ландшафты. Эти участки составляют значительную часть генома и выполняют роль «диспетчерских», контролируя работу генов.
Для исследования были использованы геномы мышей и рыбок данио-рерио. Был выявлен общий регуляторный ландшафт, отвечающий за развитие пальцев у мышей. С помощью технологии CRISPR/Cas9 этот участок ДНК был удален у рыб, после чего было проведено наблюдение за развитием эмбрионов.
Результаты эксперимента показали, что изменение экспрессии гена произошло в области клоаки, а не плавников. Клоака — это орган, в котором у многих позвоночных объединяются пищеварительная, выделительная и репродуктивная системы. Учёные объясняют этот неожиданный результат тем, что эволюция повторно использовала этот генетический участок для развития пальцев у наземных позвоночных.
Орели Хинтерманн, участвовавшая в исследовании в рамках своей диссертации, отмечает, что пальцы и клоака выполняют схожие функциональные роли как конечные части биологических структур.
Регуляторные ландшафты контролируют работу генов Hox, также известных как гомеозисные или «гены-архитекторы». Эти гены определяют расположение и идентичность органов, контролируют рост и специализацию тканей. Гены Hox играют ключевую роль в сложной сети регуляторных взаимодействий, и их мутации могут приводить к значительным изменениям в анатомии организма. Эволюция часто использует эти гены для формирования новых биологических структур.
Профессор Дени Дюбул, руководивший исследованием, подчеркивает, что обнаружение участия генов Hox в формировании пальцев демонстрирует, как эволюция способна создавать новое на основе уже существующих генетических механизмов. Природа адаптировала уже существующую регуляторную систему, которая ранее использовалась для развития клоаки, вместо создания новой.
Ученые пришли к выводу, что эволюционные изменения в первую очередь затрагивают архитектуру регуляции генов. В ряде случаев целые генетические участки могли быть перепрофилированы для выполнения новых функций. В будущем исследователи планируют изучить механизмы, через которые происходят эти изменения, пишет источник.