Змеи потеряли свои конечности более 100 миллионов лет назад, но ученые изо всех сил пытались определить связанные с этим генетические изменения. Статья Cell, опубликованная 20 октября, проливает свет на этот процесс, описывая участок ДНК, участвующий в формировании конечностей, который мутировал у змей. Когда исследователи ввели ДНК змеи мышам, у животных развились укороченные конечности, что свидетельствует о том, что критическая часть ДНК потеряла способность поддерживать рост конечностей во время эволюции змеи.
"Это один из многих компонентов инструкций ДНК, необходимых для создания конечностей у людей и, по сути, у всех других позвоночных с ногами. У змей она сломана, - говорит Аксель Визель, генетик из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли и старший автор статьи. формируют конечности."
Сегодняшние змеи претерпели одно из самых драматических изменений строения тела в эволюции позвоночных. Чтобы изучить молекулярные корни этой адаптации, Визель и его коллеги начали изучать опубликованные геномы змей, включая геномы базальных змей, таких как удав и питон, у которых есть рудиментарные ноги - крошечные кости ног, встроенные в их мышцы, - и продвинутых змей, таких как как гадюка и кобра, которые потеряли все конечности. Внутри этих геномов они сосредоточились конкретно на гене под названием Sonic hedgehog, или Shh, участвующем во многих процессах развития, включая формирование конечностей. Исследователи углубились в один из регуляторов гена Shh, участок ДНК, называемый ZRS (регуляторная последовательность зоны поляризующей активности), который присутствовал, но отличался у змей.
Чтобы определить последствия этих мутаций, исследователи использовали CRISPR, метод редактирования генома, чтобы вставить ZRS от различных других позвоночных мышам, заменив мышиный регулятор. При ZRS других млекопитающих, таких как люди, у мышей развились нормальные конечности. Даже когда они вставили ZRS от рыб, плавники которых структурно сильно отличаются от конечностей, у мышей развились нормальные конечности. Однако, когда исследователи заменили мышиный ZRS версией питона или кобры, у мышей развились сильно укороченные передние и задние конечности.
«Используя эти новые геномные инструменты, мы можем начать исследовать, как различные эволюционные версии одного и того же энхансера влияют на развитие конечностей, и на самом деле увидеть, что происходит», - говорит Визел. «Раньше мы в основном смотрели на последовательности и размышляли о молекулярной эволюции, но теперь мы действительно можем вывести эти исследования на новый уровень».
Чтобы определить мутации в ZRS змей, которые были ответственны за его инактивацию во время эволюции змей, исследователи более внимательно изучили эволюционную историю изменений отдельных последовательностей. Сравнивая геномы змей и других позвоночных, они выявили одну особенно подозрительную делецию из 17 пар оснований, которая встречалась только у змей; эта делеция удалила участок ZRS, который играет ключевую роль в регуляции гена Shh у животных с ногами.
Исследовательская группа повернула эволюционные часы вспять, восстановив недостающие 17 пар оснований в искусственно созданной гибридной версии ZRS питона, и протестировала отредактированную ДНК на мышах. У тех, кто носил в своем геноме этот эволюционно «воскресший» ZRS, заменяя свой нормальный регулятор, развились нормальные ноги. Однако Визель предупреждает, что эволюционные события, вероятно, были более сложными, чем просто одна делеция: «Вероятно, в ZRS мыши заложена некоторая избыточность. Некоторые другие мутации в ZRS змеи, вероятно, также сыграли роль в потере ее функции. во время эволюции."
Конечно, змеи - не единственные позвоночные животные, у которых нет рук и ног - некоторые ящерицы, угри и другие рыбы, а также морские млекопитающие, например, также в той или иной степени адаптировались к редукции конечностей и, вероятно, немного изменились. иной эволюционный процесс.«Потеря конечностей происходила несколько раз независимо друг от друга в ходе эволюции животных, и можно с уверенностью предположить, что были задействованы мутации, влияющие на другие гены», - говорит Визел. «Это сложная проблема, но с появлением инструментов редактирования генома мы, наконец, можем начать более систематически связывать конкретные изменения ДНК с изменениями формы тела».