Британские и испанские генетики выяснили, что анатомическая сложность позвоночных животных возникла не столько за счет появления новых генов, сколько благодаря увеличению разнообразия белков, создаваемых на основе уже существующей генетической информации. Ключевые изменения произошли в сигнальных путях, управляющих развитием эмбриона, что позволило формироваться более сложным организмам.

Противоречие в биологии: количество генов и сложность организма

В биологии давно известно, что число генов в геноме не всегда связано со степенью сложности организма. Например, у человека и у микроскопического круглого червя количество генов примерно одинаково.

Роль сигнальных путей в развитии

Развитием эмбриона управляют одни и те же сигнальные пути — Wnt, Hedgehog и BMP. Это цепочки передачи информации от оболочки клетки к её ядру, завершающиеся работой особых белков — транскрипционных факторов. Получив сигнал, эти белки проникают в ядро и включают или выключают определённые участки ДНК.

Альтернативный сплайсинг как источник разнообразия

Авторы исследования предположили, что усложнение организмов связано с альтернативным сплайсингом — механизмом, позволяющим одному гену создавать несколько разных версий белка (изоформ), комбинируя смысловые участки кода в разном порядке. Это работает как конструктор: из одной инструкции ДНК клетка может собирать разные белки.

Сравнение транскриптомов разных видов

Учёные сравнили транскриптомы (совокупность всех работающих молекул РНК) трёх видов, представляющих эволюционную лестницу от беспозвоночных к позвоночным: оболочника Ciona intestinalis (беспозвоночное, ближайший родственник позвоночных), миноги Lampetra planeri (примитивное бесчелюстное позвоночное) и лягушки Xenopus tropicalis (современное челюстноротое позвоночное).

Для анализа использовалось секвенирование длинных прочтений, что позволило точно определить, сколько вариантов сплайсинга создаёт каждый ген.

Результаты анализа

Анализ показал, что общее количество вариантов сплайсинга у позвоночных увеличилось не повсеместно, а избирательно — именно в семействах генов, кодирующих транскрипционные факторы. В семействах TCF/LEF (путь Wnt), GLI (путь Hedgehog) и SMAD (путь BMP) разнообразие изоформ у позвоночных оказалось значительно выше. Если у оболочника эти гены работают по принципу «один ген — один белок», то у лягушки каждый из этих генов производит два-три функциональных варианта.

Неожиданное открытие

Интересное открытие было сделано и у самого примитивного участника сравнения. В гене TCF у оболочника обнаружили уникальную изоформу, появившуюся благодаря встраиванию транспозона (мобильного генетического элемента). Это демонстрирует, как так называемая «мусорная ДНК» может спонтанно создавать новые функциональные части белков.

Выводы исследования

Работа доказывает, что усложнение организмов происходило за счёт тонкой настройки уже существующих сигнальных путей, а не изобретения новых. Позвоночные расширили репертуар белков, выполняющих управляющие функции, за счёт увеличения числа изоформ. Это позволило клеткам по-разному реагировать на одни и те же сигналы, формируя сложные ткани и органы на основе старого генетического набора.