В «Игре престолов» трехглазый ворон хранит секреты прошлого, настоящего и будущего в огромном фантастическом королевстве. Но для реальных биологов «трехглазый жук» может дать реальный взгляд в будущее изучения эволюционного развития.
Используя простой генетический инструмент, ученые АйЮ намеренно вырастили полностью функциональный дополнительный глаз в центре лба обыкновенного жука. Раскрытие биологических механизмов, стоящих за этим явлением, может помочь исследователям понять, как эволюция опирается на ранее существовавшие эволюционные и генетические «строительные блоки» для создания новых сложных признаков или «старых» признаков в новых местах.
Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. Работа также дает более глубокое понимание более раннего эксперимента, в ходе которого был случайно получен дополнительный глаз в рамках исследования, направленного на то, чтобы понять, как развивается голова насекомого.
«Биология развития прекрасно сложна отчасти потому, что не существует единого гена для глаза, мозга, крыла бабочки или панциря черепахи», - сказал Армин П. Мочек, профессор Блумингтонского колледжа искусств и Департамент биологии. «Вместо этого тысячи отдельных генов и десятки процессов развития объединяются, чтобы обеспечить формирование каждого из этих признаков.
"Мы также узнали, что развитие новой физической черты очень похоже на создание новой структуры из конструктора Lego путем повторного использования и рекомбинации "старых" генов и процессов развития в новых контекстах."
Как следствие, эволюция новых признаков часто требует гораздо меньшего количества генетических изменений, чем изначально предполагали биологи.
Но в отличие от перестановки и объединения игрушечных пластиковых кубиков для формирования новой структуры, Мочек сказал, что неясно, какие биологические механизмы управляют созданием новых физических черт при одних обстоятельствах, но не при других.
«Вы можете создавать новые вещи снова и снова или в новых местах, используя один и тот же старый набор «кирпичиков», - сказал он. «Но в «Лего» мы знаем правила сборки: какие части соединяются, а какие нет. В биологии мы все еще пытаемся понять соответствующие аналоги».
Один из способов, которым ученые стремились получить более четкое представление об этом процессе, заключается в том, чтобы стимулировать рост «эктопических» органов - или органов, которые формируются не в той части тела. Ранние работы в этой области были сосредоточены на формировании глаз плодовой мушки в неправильном месте, например, на крыле или ноге. Однако эти эксперименты требовали активации основных регуляторных генов в новом месте, метод, который ограничен лишь несколькими изучаемыми организмами. Получившиеся «глаза» также никогда не были полностью функциональными.
Напротив, новое исследование под руководством IU сообщает о формировании дополнительного функционального глаза - технически, «слияние» двух наборов дополнительных глаз - после нокдауна одного гена, метода, широко доступного для ученых в большинстве организмов. Неожиданное формирование сложного функционального глаза в новом месте процесса является «замечательным примером способности систем развития направлять массивные возмущения на упорядоченные и функциональные результаты», - сказал Мочек..
Чтобы создать полностью функциональный глаз в центре головы жука, команда Мочека деактивировала единственный ген, называемый ортодентикул, или odt, который, как показали их исследования, играет роль в формировании головы во время развития..
«Это исследование экспериментально нарушает функцию одного основного гена», - сказал Мочек. «И в ответ на это нарушение оставшаяся часть развития головы реорганизуется, чтобы произвести очень сложную черту в новом месте: сложный глаз в середине головы.
"Более того, эта чертова штука действительно работает!"
Чтобы подтвердить, что глаз был настоящим дополнительным глазом, команда IU провела несколько тестов, чтобы доказать, что структура имеет те же типы клеток, экспрессирует те же гены, имеет правильные нервные связи и вызывает ту же поведенческую реакцию, что и нормальный глаз.. Что делает результаты такими захватывающими - помимо новизны Франкенштейна - это относительно простая генетическая техника, используемая для достижения нокдауна гена, сказал ведущий автор исследования Эдуардо Э. Заттара, постдокторский исследователь IU..
Мочек сказал, что результаты выходят за рамки этого приложения, чтобы помочь решить фундаментальные вопросы в области развития, эволюции и медицины. Например, понимание того, как сложные органы организуют свой рост и интеграцию в тело, является центральной проблемой, которую медицинские науки должны решить, чтобы разработать искусственные органы для исследований и трансплантации.
«Использование эктопических глаз - очень доступная парадигма для изучения всего этого на многих типах организмов», - сказал Заттара. «Мы считаем, что это исследование действительно открывает двери для новых направлений исследований в различных дисциплинах».
Дополнительными авторами исследования являются Анна Л. М. Маканьо, научный сотрудник, и Ханна А. Бьюзи, студентка бакалавриата факультета биологии Блумингтона.
Это исследование было частично поддержано Национальным научным фондом.