Эволюционный и эволюционный биолог Крейг Альбертсон и его коллеги из Массачусетского университета в Амхерсте сообщают, что они определили молекулярный механизм, который позволяет организму изменять свой внешний вид в зависимости от окружающей среды, в которой он находится. Этот процесс известен как фенотипическая пластичность.
В дополнение к ведущим исследователям Альбертсону и Рольфу Карлстрому в команду входят недавно окончившие докторантуру Дина Навон и Ира Мале, нынешние доктора наук. кандидат Эмили Тетро и бакалавр Бенджамин Ааронсон. Их статья опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Альбертсон объясняет, что проект проистекает из желания лучше понять, как гены и окружающая среда взаимодействуют, чтобы направить анатомическую форму. «Мы знаем, что наши черты определяются генами, но мы также знаем, что многие физические черты также формируются под влиянием окружающей среды. Например, у однояйцевых близнецов, если один становится бегуном на длинные дистанции, а другой - бодибилдером, они в конечном итоге они будут иметь очень разные телосложения. Скелет особенно чувствителен к таким воздействиям окружающей среды».
Альбертсон работает с системой - рыбами-цихлидами, известными во всем научном мире как чемпионы по фенотипической пластичности, которые могут изменить за один сезон твердость или форму челюстной кости в соответствии с условиями кормления. Они также хорошо известны своей быстрой эволюцией и разнообразием форм челюстей, что позволило цихлидам адаптироваться к множеству различных источников пищи, включая водоросли, планктон, рыбу, улиток и даже чешую других рыб.
Альбертсон провел большую часть последних двух десятилетий, пытаясь выявить генетические различия, лежащие в основе различий в форме челюстей между видами. Теперь он и его коллеги считают хорошо изученную химическую/молекулярную систему, известную как сигнальный путь Hedgehog (Hh), важным игроком. Совсем недавно он исследовал, может ли тот же путь способствовать различиям в форме челюстей, которые возникают внутри видов благодаря фенотипической пластичности.
Важная подсказка пришла, когда Альбертсон узнал больше о том, как работает этот молекулярный путь. Он объясняет: «В большинстве клеток, в том числе в тех, которые составляют скелет, есть хорошо известный механосенсор, называемый первичной ресничкой. выяснилось, что несколько ключевых белковых компонентов пути Hedgehog физически связаны с этой структурой, что делает ее очевидным кандидатом на чувствительный к окружающей среде сигнал."
В текущем исследовании исследовательская группа впервые показала, что пластичность в скорости отложения костей у цихлид, вынужденных питаться с использованием разных способов кормодобывания, была связана с разными уровнями Hh. Более высокие уровни сигнала были обнаружены у рыб из среды, где откладывалось больше костей, и наоборот. Чтобы действительно ответить на этот вопрос, Альбертсон объединился с Карлстромом, который ранее разработал сложные инструменты для изучения передачи сигналов Hh у рыбок данио.
Он объясняет: «У Рольфа есть куча действительно ловких трансгенных систем для манипулирования этим молекулярным сигналом в реальном времени. затем посмотрите, как это повлияет на вашу интересующую черту». В этом случае они хотели увидеть, влияют ли уровни Hh на пластичность скорости отложения кости.
Они обнаружили, что не подвергавшиеся манипуляциям рыбки данио откладывали разное количество костей в разных кормовых средах. Когда уровни Hh были снижены, эти различия исчезли, но когда уровни Hh были увеличены, различия в скорости отложения кости резко увеличились.
Альбертсон объясняет: «Костные клетки этих рыб изначально чувствительны к различным механическим условиям. Но мы смогли поиграть с этой системой, используя один молекулярный переключатель - вы включаете сигнал Hh, и клетки становятся более чувствительными. к окружающей среде, или вы отключаете молекулярный датчик, и клетки становятся почти глухими к окружающей среде».
«Примечательно, что один и тот же молекулярный механизм лежит в основе как эволюционного расхождения, так и пластичности челюсти», - объясняет Альбертсон. «Это согласуется с давней теорией, которая предполагает, что краткосрочная пластичность может изменить направление долгосрочной эволюции, что объясняет, почему эволюция может быть предсказуемой в линиях, которые неоднократно эволюционировали в сходные среды обитания». Альбертсон добавляет: «Также было показано, что сигнал Hh регулирует пластичность рогов жуков, поэтому может быть что-то особенное, что делает его датчиком окружающей среды для тканей и животных."
Такие интригующие вопросы станут темой будущих исследований, добавляют авторы.