Чрезвычайно мощные гены, которые управляют формой эмбриона с самых ранних стадий развития, были изменены природой в ходе эволюции, чтобы создать чрезвычайно широкий спектр форм животных, сообщают ученые в выпуске журнала от 14 августа. журнал Nature.
Гомеотические или Hox-гены определяют идентичность сегментов вдоль оси тела эмбриона и регулируют формирование основных структур у каждого изученного животного. Но поскольку лабораторные мутации в этих генах могут вызывать уродства, такие как муха с ногами там, где должны быть ее антенны, многие ученые сомневались, что естественная изменчивость гомеозисных генов может лежать в основе постепенных, обеспечивающих выживание изменений, которые накапливались в течение тысячелетий по мере того, как животные постепенно развивали улучшенные части тела.. Сегодняшнее открытие знаменует собой первый случай, когда было показано, что изменения в контроле над гомеозисными генами лежат в основе эволюционной тенденции, ведущей к новым структурам тела.
Нипам Пател, доцент кафедры биологии и анатомии организма в Медицинском институте Говарда Хьюза Чикагского университета, и Михалис Авероф, в настоящее время работающие в Европейской лаборатории молекулярной биологии в Гейдельберге, показали, что изменения в характере активности двух Hox гены ракообразных связаны с относительно внезапным эволюционным развитием полезных, характерных для питания конечностей, называемых максиллипедами (буквально «челюстные лапы»), вместо плавательных или ходячих ног.
Находка является важной вехой в новой области эволюционной биологии развития, или «эво-дево», как ее называют ее сторонники, в которой ученые изучают модели экспрессии генов в эмбрионах, чтобы заглянуть назад во времени. За последние несколько лет исследователи добились значительного прогресса в выявлении генов, определяющих грубые изменения формы тела на ранних стадиях развития. Но другие утверждали, что любые естественно возникающие варианты таких генов быстро умрут. «Вопрос всегда заключался в том, действительно ли эволюция возилась с этими вещами, чтобы создать разнообразие строения тела?» говорит Патель.
Многие ученые обращались к насекомым за естественной вариацией гомеозисных генов, объяснил Патель, потому что насекомые имеют такое разнообразное строение тела. «Но оказывается, что большая часть их разнообразия возникает после этого шага в развитии», - сказал он. «Разнообразие происходит не столько от того, где в эмбрионе первоначально экспрессируются гомеозисные гены, сколько от того, как другие гены реагируют на них».
Вместо этого Патель и Авероф обратились к ракообразным. Они собрали широкий спектр образцов - 13 отдельных видов из девяти разных отрядов - многие из них на полевой станции Смитсоновского института в Белизе.
«Ракообразные имеют гораздо больше вариаций строения тела, чем насекомые», - сказал Патель. «Если это удивительно, то потому, что люди думают только о двух или трех близкородственных видах ракообразных, которых мы едим».
Исследователи использовали антитело, которое метит белки, вырабатываемые двумя тесно связанными гомеозисными генами, Ubx и abdA, чтобы показать, в каких сегментах эмбриона эти гены включены. Гены Ubx-abdA, как и другие гомеозисные гены, в том числе тот, который заставляет плодовую мушку отращивать ногу из головы, ориентируют эмбриональные ткани относительно того, где они расположены в теле.
В случае с этим конкретным мутантом мухи, если гомеозисный ген под названием Antennapedia включен в сегменте головы, «клетки, отпочковавшиеся от головы мухи, думают: «О, мы сидим в грудной клетке»., мы должны вырасти в ногу, - объяснил Патель.
У ракообразных, если Ubx-abdA включен в сегменте, это сообщает зачаткам конечностей, что они лежат в той части грудной клетки, которая должна отращивать локомоторные ноги. Исследователи обнаружили вариации в паттерне сегментов, в которых включается Ubx-abdA, и этот паттерн соответствовал анатомическим изменениям, прослеживающим родственные отношения и эволюцию.
«У примитивных видов ракообразных мы обнаружили, что Ubx-abdA включается в первом грудном сегменте и «включен» оттуда обратно к хвосту», - сказал Патель. «У этих животных есть заметная разница между придатками головы и грудной клетки - голова имеет крошечные придатки, используемые для проталкивания пищи в рот, а грудные придатки длинные и перистые для плавания».
Но у более продвинутых ракообразных первый сегмент, в котором включается Ubx-abdA, лежит дальше по телу. У этих животных первые несколько грудных сегментов имеют придатки, похожие на придатки головы. Эти ногочелюсти представляют собой не просто неуместные части челюсти, но и обладают новыми возможностями, поскольку они прикреплены к мощным мышцам и нервной системе грудной клетки. К ракообразным, у которых они есть, относятся десятиногие моллюски - креветки, омары и их родственники.
«Если вы посмотрите, животные с максиллипедами могут питаться по-другому», - сказал Патель. «Они могут ходить, держать и перемещать пищу одновременно. Это имеет явное значение для организма и может быть преимуществом, в зависимости от окружающей среды».
Пател сказал, что открытие узаконивает сравнительную генетику раннего развития как инструмент для изучения эволюции.
«Это изменение - то, что все надеялись найти для этого класса генов», - сказал он. «Они надеялись, что вы обнаружите изменение в морфологии, отражающее то, что происходило в отношении экспрессии гена. Они не обнаружили этого у насекомых, но у ракообразных мы показываем очень яркий пример этой корреляции».
Исследование финансировалось Медицинским институтом Говарда Хьюза и Институтом Карнеги.