Ученые выяснили, что генетическая программа, отвечающая за формирование пальцев у наземных животных, могла возникнуть из неожиданного источника — некодирующих областей генома.

Эволюция конечностей: от рыб к наземным животным

Миллионы лет назад предки современных позвоночных начали осваивать сушу, эволюционируя из рыб в разнообразные виды, обладающие ступнями, кистями и пальцами. Как именно появились эти конечности — один из старейших вопросов биологии.

Существует гипотеза, что пальцы наземных животных и плавники рыб имеют общее эволюционное происхождение и могли формироваться по единой генетической программе. Однако детали этого процесса до сих пор вызывают научные споры.

Неожиданный генетический механизм

Международная команда исследователей обнаружила, что для формирования пальцев в ходе эволюции был задействован древний участок генома, который изначально отвечал не за развитие плавников, а за формирование клоаки — органа, объединяющего выходы пищеварительной, выделительной и репродуктивной систем у многих видов. Результаты работы опубликованы в журнале Nature.

Биологи изучали не только гены, непосредственно участвующие в развитии пальцев, но и обширные некодирующие области ДНК, регулирующие экспрессию и активацию генов. Эти участки называют «регуляторными ландшафтами» — они значительно крупнее кодирующих областей, которые составляют лишь около 2% генома. Некодирующие регионы можно сравнить с диспетчерскими, управляющими работой генов.

Эксперимент с геномами мышей и рыб

В ходе исследования ученые работали с геномами мышей и рыб данио-рерио. Сначала они выделили общий для обоих видов регуляторный ландшафт, участвующий в развитии пальцев у мышей. Затем с помощью технологии CRISPR/Cas9 биологи удалили этот крупный участок ДНК у рыб и наблюдали за развитием их эмбрионов.

Удаление участка привело к потере экспрессии гена в области клоаки, но не в плавниках. Это показало, что данный регуляторный элемент изначально был связан с развитием клоаки, а в процессе эволюции у наземных позвоночных был «перепрофилирован» для формирования пальцев.

Общие черты клоаки и пальцев

Как объясняет автор исследования Орели Хинтерманн, клоака и пальцы объединяет то, что обе структуры представляют собой терминальные части — то есть расположены на концах биологических осей или систем. Иногда это конец пищеварительной трубки, иногда — конец конечностей, то есть пальцы. Таким образом, и клоака, и пальцы кодируют «конец» определенной структуры.

Роль генов Hox и эволюционные выводы

Интересующие ученых регуляторные ландшафты контролируют активацию генов Hox — так называемых «генов-архитекторов», определяющих положение и идентичность сегментов и органов, а также управляющих ростом и специализацией тканей. Эти гены находятся на вершине сложной сети, регулирующей тысячи других генов, и их мутации могут приводить к значительным анатомическим изменениям. Для эволюции работа генов Hox имеет ключевое значение.

Профессор Дени Дюбуль, инициатор исследования, отмечает: «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 уже существующий механизм, изначально активный в клоаке».

Новые горизонты исследований

На основании полученных данных ученые пришли к выводу, что в первую очередь эволюционировала архитектура регуляции операционных и кодирующих генов. Иногда целый генетический регион мог быть использован в новом морфологическом контексте. Теперь внимание исследователей смещается с вопроса о том, где именно происходят изменения в геноме, на то, каким образом эти изменения реализуются.