Представляя себе первую рыбу, выползшую из первобытных вод на сушу, легко представить, как ее парные плавники в конечном итоге превратились в руки и ноги современных позвоночных, включая человека. Но новое исследование ученых из Чикагского университета и Андалузского центра биологии развития в Испании показывает, как эти существа использовали еще более примитивный генетический план для развития своих прото-конечностей: единственный спинной или задний плавник, общий для всех челюстных. рыбы.
Исследование, опубликованное на этой неделе в журнале Nature Genetics, демонстрирует, что рыбы, мыши и, вероятно, все современные позвоночные имеют общие генетические элементы, которые впервые использовались для развития непарного спинного плавника у древних рыб. Позже они скопировали эти элементы, чтобы создать парные придатки, такие как брюшные и грудные плавники, руки и ноги.
«Непарный спинной плавник - это первое, что вы видите в летописи окаменелостей», - сказал Нил Шубин, доктор философии, почетный профессор анатомии Роберта Р. Бенсли в Калифорнийском университете в Чикаго и соавтор нового исследования. «Здесь мы показываем, что генетические механизмы, которые формируют все плавники и другие парные придатки, изначально возникли там и были передислоцированы в другие».
Шубин и его коллеги из Испании под руководством Хосе Луиса Гомеса-Скарметы провели генетический анализ у мышей и нескольких видов рыб, чтобы отследить экспрессию Sonic hedgehog (Shh), гена, широко используемого в различных основных биологические функции, но особенно важны при формировании конечностей.
У мышей генетический энхансер или выключатель, называемый ZRS, контролирует экспрессию конечностей Shh. Если вы отключите ZRS у мыши, ее конечности не будут развиваться должным образом. Исследователи использовали инструменты редактирования генов CRISPR/Cas9, чтобы вывести ZRS из медаки, маленькой популярной аквариумной рыбки, также известной как японская рисовая рыбка. Они ожидали, что удаление ZRS у медаки повлияет на ее парные плавники, но вместо этого у рыбы не вырос непарный спинной плавник. Парные брюшные и грудные плавники развиты нормально.
Это побудило команду искать другие генетические энхансеры, которые могли быть задействованы, и они обнаружили рядом родственный «теневой энхансер», называемый sZRS, который, по-видимому, работает вместе с основным переключателем ZRS. Когда в медаке подбили и ЗРС, и сЗРС, то были потеряны и его спинной плавник, и парные плавники. Это означает, что, вероятно, ZRS сначала использовался для развития спинных плавников, а затем был скопирован и повторно использован как sZRS, когда парные плавники впервые появились около 475 миллионов лет назад.
«Он очень древний, и последовательность и функция сохранились у всех позвоночных», - сказал Шубин. «Оказывается, примитивная роль ZRS была связана со спинным плавником. Только позже для его активности в парных плавниках потребовался этот другой теневой энхансер».
Шубин сказал, что понимание активности этих энхансеров помогает идентифицировать следы эволюционных предков, присутствующих во всех позвоночных, от Tiktaalik roseae, переходного вида «рыбоногих» возрастом 375 миллионов лет, который он обнаружил в 2004 году, до современных день люди.
«Ряд человеческих болезней основан на ошибках в ZRS, которые могут привести к дополнительным или отсутствующим пальцам или изменениям в форме рук», - сказал он. «У людей, вероятно, тоже есть этот усилитель теней, поэтому, если мы хотим изучить динамику того, как это влияет на формирование паттернов конечностей, то, что мы видим на этих моделях рыб, - отличное место для начала».