Исследователи из Института медицинских исследований Стоуэрса открыли окно в еще один аспект эволюционной биологии. Они обнаружили, что гены Hox, которые являются ключевыми регуляторами формы тела билатерально-симметричных животных, также играют роль в контроле радиально-симметричного строения тела морской анемоны-звездочки Nematostella vectensis..
Эти результаты, опубликованные в выпуске журнала Science от 28 сентября 2018 г., дают исследователям лучшее понимание наследственной функции этих генов и понимание важного шага в эволюционной биологии.
«Морской анемон предлагает нам окно в возможное древнее прошлое функции гена Hox», - говорит исследователь Стоуэрса Мэтью Гибсон, доктор философии, который руководил исследованием.
Роли Hox-генов у билатеральных животных хорошо известны. Это животные, у которых ось головы к хвосту, левая и правая стороны в значительной степени симметричны, и они включают в себя все, от людей до собак, от рыб до пауков. Гены Hox контролируют идентичность различных сегментов этих животных по мере их развития, приводя в действие генетические программы, формирующие различные структуры тела, такие как конечности и органы. Идентичность сегмента зависит от того, какие гены Hox экспрессируются - или код Hox - в этой области развивающегося организма.
Хотя гены Hox были идентифицированы в группе животных, известных как Cnidaria, которые включают радиально-симметричных животных, таких как морские анемоны, медузы и кораллы, их конкретная роль в регуляции строения тела книдарий ранее была неизвестна.
«У нас никогда не было функциональных доказательств того, откуда возник код Hox и как он мог контролировать развитие до появления билатеральных», - сказал Гибсон. «Изучая функцию Hox-генов у морских актиний, мы можем начать понимать возможную роль этих генов у нашего древнего общего предка, жившего около 600 миллионов лет назад».
Чтобы решить эту проблему, исследователи нарушили функцию генов Anthox1a, Anthrox8, Anthrox6a и Gbx в формировании паттерна тела морской актинии Nematostella vectensis. Они сделали это двумя способами: нарушили функцию Hox-генов с помощью обработки короткими шпилечными РНК, а также использовали CRISPR-Cas9, систему редактирования генов, чтобы удалить эти Hox-гены из генома.
Они обнаружили, что потеря или нарушение функции гена Hox приводит к поразительным дефектам как в сегментации тела, так и в формировании паттерна щупалец. У актиний-мутантов развилось только два или три щупальца вместо обычных четырех. Некоторые щупальца были увеличены и частично срослись, а другие раздвоились.
«Вполне возможно, что наследственная роль Hox-генов заключалась как в управлении формированием сегментов, так и в обеспечении идентичности сегментов», - сказал Гибсон. «У современных билатерий эти функции могли быть разделены таким образом, что гены Hox просто контролируют идентичность сегментов».
«Эти результаты раскрывают существование Hox-кода у развивающихся книдарий, предоставляя биологам-эволюционистам новое понимание процесса эволюции Hox-кода», - сказал Шуонан Хе, научный сотрудник Высшей школы Института Стоуэрса. по медицинским исследованиям и первый автор статьи. «Эти гены уже существовали до разделения билатеральных и кишечнополостных от их общего предка», - сказал он. «Теперь мы можем изучить больше ветвей кишечнополостных, чтобы проверить, используются ли эти гены аналогичным образом».
Гибсон сказал, что эти открытия также предоставляют дополнительные доказательства того, что эволюция не обязательно делает код гена более сложным.«Существует популярное мнение, что процесс эволюции неумолимо увеличивает изощренность и сложность, но теперь мы знаем, что во многих случаях это происходит совсем не так», - сказал он. «У наших древних предков-животных была сложная биология, регулируемая теми же типами генов, которые присутствуют у людей сегодня. Просто они использовались по-другому».
Другими участниками из Stowers Institute являются Флоренсия де Визо, доктор философии, Ченг-Йи Чен, Аманда Кройсен и Айссам Икми, доктор философии, которая сейчас является руководителем группы в EMBL Heidelberg. Это исследование проводилось при поддержке Центра молекулярной биологии Института Стоуэрса, Центра микроскопии и Центра рептилий и водных животных. Это исследование было бы невозможно без тесного сотрудничества с Полин Картрайт, доктором философии, из Университета Канзаса, Дэвидом Ламбертом, доктором философии, из Университета Рочестера, и Роббом Крамлауфом, доктором философии, Институт Стоуэрса.
Работа финансировалась Институтом медицинских исследований Стоуэрса.