Группа биологов-эволюционистов из Университета Констанца во главе с профессором доктором Акселем Мейером обнаруживает генетическую основу повторяющейся эволюции цветовых узоров. Находки о полосах особенно разнообразных видов восточно-африканских цихлид объясняют, как эволюция может повторяться с рекордной скоростью. Исследование опубликовано в журнале Science 26 октября.
Почему эволюция повторяется? Что происходит генетически во время этих повторений? Создают ли одни и те же или другие гены и механизмы организмы, похожие друг на друга? Профессор Аксель Мейер и его команда из Констанцского университета подошли ближе к ответу на этот вопрос, столь же старый, сколь и важный. Ответ весьма удивителен. Они изучили особый цветовой узор, вездесущий у всех видов животных: горизонтальные полосы. Исследователи смогли определить основу повторяющейся эволюции этих полос с помощью современных методов геномики и молекулярной биологии и подтвердили их с помощью мутантной рыбы CRISPR-Cas, которая добавила полосу.
Более 1200 видов красочных цихлид можно найти в крупных африканских озерах Малави, Виктория и Танганджика. Они не только очень разнообразны по цвету, но и имеют многочисленные цветовые узоры, такие как горизонтальные или вертикальные полосы. «Но это еще не все, - объясняет Аксель Мейер, - цихлиды являются яркими примерами эволюции. Они чрезвычайно разнообразны с точки зрения социального поведения, формы тела, окраски и многих других биологических аспектов, но в то же время некоторые черты неоднократно развивались независимо друг от друга в разные озера». Этот принцип повторяющейся эволюции - биологи называют его конвергентной эволюцией - делает цихлид идеальной мишенью для изучения генетической основы этого явления. Если сходные цвета и формы тела возникли в нескольких эволюционных линиях независимо друг от друга, это означает, что эволюция одинаково реагировала на сходные условия среды. Теперь возникает вопрос: когда эволюция повторяется, как это работает генетически?
Какой ген и какой генетический механизм отвечает за появление и исчезновение полос у цихлид, в настоящее время реконструировано в лаборатории с помощью анализа генома, селекции и экспериментов, включая CRISPR-Cas в качестве «генных ножниц». Доктор Клаудиус Кратохвиль, ранний исследователь в команде профессора Мейерса и первый автор исследования в журнале Science, объясняет: «В экспериментах по разведению мы можем точно определить, на какой из 22 хромосом, даже на какой области хромосомы рыбы, генетическая инструкция для нашивок находится. Соответствующий ген в этой части хромосомы называется agrp2. Этот «полосатый ген», его происхождение и распространение в других африканских озерах были описаны в сравнительных молекулярных исследованиях. С эволюционной точки зрения полосы цихлид довольно нестабильны. В течение нескольких миллионов лет они много раз терялись и вновь появлялись в африканских озерах. Поскольку эти виды (с полосами и без) очень молоды, их можно скрещивать в аквариумах. Разведение и исследование цихлид с полосками и без них в лаборатории показывает, что все цихлиды несут «полосатый ген», но переключатели (регуляторные элементы) этого гена различаются. «Этот генетический переключатель приводит к большей активации гена у видов без полос. В результате вырабатывается много белка. «Полосатый ген» agrp2 работает как «ингибитор полос»: если выработка гена высока, полоски исчезнут. подавлены, если производство низкое, они останутся. Исследователи смогли продемонстрировать это с помощью современных генетических методов. «Если мы используем CRISPR-Cas для удаления гена из генома вида без полос, - объясняет Кратохвиль, - то даже у «безполосной» рыбы внезапно появятся полосы, как мы показали с рыбой-мутантом CRISPR-Cas. Это доказывает, что полосатый ген является решающим генетическим фактором».
Последние данные об этом генетическом механизме, активации или деактивации полос «полосатым геном», были опубликованы в текущем выпуске журнала Science. Интересно, что ген agrp2 цихлид является копией гена агути у млекопитающих, который отвечает за различную окраску шерсти кошек, собак, лошадей и полосатых птенцов. «Мир животных мог бы быть гораздо менее красочным без семейства генов агути», - размышляет Клавдий Кратохвиль. Механизм «полосатого гена» у цихлид явно делает возможной повторную эволюцию в кратчайшие сроки, условно говоря. Если признаки утрачиваются в процессе эволюции, то обычно эта утрата остается навсегда, как уже понял бельгийский палеонтолог Луи Долло ровно 125 лет назад и записал свои выводы в «Законе кукол» в 1893 году. Особенность полосатого гена agrp2 заключается в том, что он делает повторную эволюцию характеристики возможной простым способом. Если цихлида теряет свои полосы, это не значит, что они никогда не вернутся, или наоборот. Эти молекулярно-биологические исследования также показывают, что палеонтологические правила и правила эволюции должны быть подвергнуты сомнению еще раз.