Компромисс в размерах органов зрения и обоняния является общей чертой эволюции животных, но лежащие в основе генетические механизмы и механизмы развития не ясны. Исследование, опубликованное 22 августа в журнале Developmental Cell, показывает, что единственный вариант ДНК, влияющий на сроки развития сенсорных органов у плодовых мушек, может объяснить разницу в размерах между глазами и антеннами, потенциально обеспечивая быстрый путь к поведенческим изменениям и адаптации.
Поскольку затронутый ген, eyeless/Pax6, консервативен у беспозвоночных и позвоночных, включая людей, открытие может представлять собой общий механизм компромисса между размерами сенсорных органов в животном мире.
Чувства, на которые полагаются животные, были сформированы в ходе эволюции, чтобы лучше ориентироваться в окружающей среде и использовать ее. В результате даже близкородственные виды, обитающие в разных экологических нишах, обнаруживают различия в размерах и форме своих сенсорных структур. У членистоногих, таких как плодовые мушки, широко распространен компромисс между размером глаз и антенн, где расположено большинство органов обоняния.
«Мы демонстрируем, что тонкие изменения в законсервированных механизмах, управляющих развитием этих органов чувств, имеют последствия», - говорит старший автор исследования Бассем Хассан из Institut du Cerveau et de la Moelle épinière (ICM). «В более широком смысле это означает, что невозможно полностью понять, как генетическая изменчивость и морфологическая изменчивость связаны друг с другом, не понимая процессов развития, которые переводят первую во вторую».
Чтобы изучить лежащие в основе механизмы, Хассан и первый автор Ариан Рамакерс из Institut du Cerveau et de la Moelle épinière (ICM) объединили сравнительный анализ различных штаммов и видов плодовых мух с подходами, связанными с развитием, молекулярным и геномным редактированием. В частности, авторы сосредоточились на структуре, называемой глазно-антеннальным имагинальным диском (EAD), который состоит из поля глаза и внеглазного поля и дает начало всем внешним органам чувств головы во время развития плодовой мушки.
Hassan и Ramaekers обнаружили, что глазное поле пропорционально больше у Drosophila pseudoobscura (D. pse.) по сравнению с Drosophila melanogaster (D. mel.), что соответствует 35-процентному увеличению числа омматидиев - мелких единиц. из которых состоит сложный глаз насекомого. Точно так же поле зрения пропорционально больше у D. mel. штамм под названием Canton-S по сравнению с D. mel. штамм Hikone-AS, что соответствует увеличению числа омматидий на 12,5%.
Эти данные предполагают, что, несмотря на 17-30 миллионов лет раздельной эволюции между двумя группами видов, вариации количества омматидий между D. mel. и D. pse. и между двумя штаммами D. mel. имеют общую логика развития», - говорит Хассан.
Чтобы найти генетические причины изменения размера глаз, исследователи затем изучили последовательности ДНК, с которыми транскрипционные факторы связываются, чтобы регулировать экспрессию соседнего гена Eyeless/Pax6. Они обнаружили, что единственный нуклеотидный вариант - замена G>A - в сайте связывания, который отличает подвиды с маленькими глазами от подвидов с большими глазами. Предполагается, что аллель G у подвидов с маленькими глазами имеет более высокое сродство к сайту связывания, что приводит к большей репрессии экспрессии гена безглазости/Pax6 по сравнению с аллелем A у подвидов с большими глазами.
Дополнительные анализы показали, что этот вариант встречается в естественных популяциях плодовых мушек, а аллель А соответствует как большему количеству омматидиев, так и меньшей ширине антенн среди различных лабораторных штаммов. Используя CRISPR/Cas9 для введения аллеля A в G-гомозиготную расу, исследователи продемонстрировали, что замена G>A вызывает увеличение количества омматидий.
"Мы были удивлены простотой механизма сенсорных компромиссов, которые мы определили: чтобы изменить размер сенсорного органа - в данном случае глаза по сравнению с антеннами - достаточно немного изменить экспрессию одного гена, - говорит Рамакерс.«Было особенно приятно обнаружить, что этот ген, называемый Pax6, является тем же самым, который строит глаза у всех животных, включая людей. Мы также были удивлены тем, что для достижения компромисса важно изменить, когда, а не где»., Pax6 в конечном итоге экспрессируется. Чтобы сделать глаз больше или меньше, достаточно немного ускорить или замедлить подразделение головного зачатка на глазные и неглазные территории."
У авторов результаты вызывают несколько интригующих вопросов. Например, пока неясно, как вариант с одним нуклеотидом изменяет время экспрессии Pax6 и развитие сенсорных органов. Более того, вполне возможно, что контроль времени экспрессии ключевых генов развития может быть общим правилом для изменения размера ткани или органа. Другой интересный вопрос заключается в том, влияют ли на сенсорные области мозга изменения относительных размеров органов чувств.