Когда около 385 миллионов лет назад морские существа впервые начали ползать и скользить по суше, они несли с собой свои доспехи: чешуйки. Ископаемые свидетельства показывают, что самые ранние наземные животные сохранили чешую в качестве защитного признака, поскольку они эволюционировали, чтобы процветать на твердой земле.
Но время шло, виды диверсифицировались, и животные начали избавляться от тяжелой чешуи своего океанского наследия и заменять ее мехом, волосами и перьями.
Сегодня молекулярные механизмы образования чешуи у рыб остаются удивительно похожими на механизмы, которые также производят перья у птиц, мех у собак и волосы у людей, что предполагает общее эволюционное происхождение бесчисленного множества совершенно разных придатков кожи.
Новое исследование, опубликованное во вторник в журнале eLife, изучает процесс, происходящий в обычной лабораторной генетической модели - рыбке данио.
«Мы обнаружили, что молекулярные пути, лежащие в основе развития чешуи, волос и перьев, поразительно похожи», - сказал ведущий автор исследования Эндрю Аман, научный сотрудник в области биологии из Университета Вирджинии.
Аман и его соавторы, включая студента-исследователя Университета штата Калифорния Алексис Фулбрайт, ныне доктора философии. кандидат в Университете штата Юта, использовал молекулярные инструменты, чтобы манипулировать и визуализировать развитие чешуи у рыбок данио и выяснять детали того, как это работает. Оказывается, как подозревали исследователи, придатки кожи, которые мы видим сегодня, возникли сотни миллионов лет назад у примитивных предков позвоночных, до возникновения конечностей, челюстей, зубов или даже внутреннего скелета.
В то время как рыбки данио изучались в течение десятилетий в широкомасштабных генетических экспериментах, по словам Амана, их чешуйчатое развитие в основном упускалось из виду.
«Кожа рыбок данио, включая костную чешую, в значительной степени прозрачна, и исследователи, вероятно, просто заглянули внутрь чешуи, - сказал он. «Эта область созрела для исследования, поэтому у нас возникла идея взглянуть на молекулярный механизм, который управляет формированием рисунка при поверхностном покрытии. Мы обнаружили глубокое сходство в развитии всех придатков кожи, будь то чешуя, волосы, мех или перья.."
Аман работает в лаборатории Дэвида Паричи, старшего автора исследования и заслуженного профессора морфогенеза Фонда Пратта-Айви на кафедре биологии Университета штата Калифорния. Лаборатория Паричи исследует генетику развития взрослой морфологии, биологию и эволюцию стволовых клеток, используя в качестве моделей рыбок данио и родственных видов. Высокий процент генов у этих обычных аквариумных рыбок такой же, как и у людей, что отражает общее происхождение, восходящее к самым ранним распространенным позвоночным, населявшим древние моря.
Паттерн развития - например, то, как чешуя принимает форму и формируется в виде слегка перекрывающихся слоев (в случае рыбок данио, на каждой стороне рыбы имеется более 200 круглых чешуек) - является важной частью всего развития, включая то, как стволовые клетки дифференцируются и становятся, например, клетками кости, клетками кожи и любым из сотен видов клеток, которые составляют примерно 37 триллионов клеток в организме человека.
То, как клетки дифференцируются и организуются в точные формы (а иногда превращаются в деформированные формы, которые могут привести к врожденным заболеваниям, раку и другим аномалиям), представляет огромный интерес для биологов развития, таких как Паричи и Аман. Понимание этого процесса дает представление о врожденных дефектах, раке и генетических заболеваниях, а также о том, как можно исправить этот процесс, если он пошел наперекосяк.
Например, зубы, которые на самом деле являются эпидермальным придатком, иногда подвержены проблемам развития. «Дефекты, которые мы обнаруживаем в развитии рыбьей чешуи, напоминают проблемы развития, которые могут возникнуть с зубами», - сказал Паричи.«Поскольку чешуя регенерирует, возможно, есть способ заставить регенерировать зубы».
«Это исследование помогает нам установить важные связи между естественной историей жизни на Земле, эволюционным процессом и человеческими болезнями», - сказал Аман.