Ученые из Нью-Йоркского и Чикагского университетов создали плодовых мушек, несущих реконструированные древние гены, чтобы выяснить, как древние мутации привели к серьезным эволюционным изменениям в эмбриональном развитии, влияние которых мы наблюдаем сегодня.
Работа, опубликованная в журнале eLife, показала, что две мутации, возникшие 140 миллионов лет назад, изменили функцию критического гена развития, который теперь регулирует развитие головы и других структур практически у всех современных видов. день летит.
«Вводя в древние гены отдельные мутации, произошедшие в далеком прошлом, мы смогли точно показать, как каждая из них влияла на развитие много миллионов лет назад», - объясняет Стивен Смолл, биолог из Нью-Йоркского университета и один из старшие авторы статьи.
«Мы обнаружили, что всего две случайные мутации были основными причинами глубоких изменений в процессах развития животных - изменений, которые стали обязательными для всех их современных потомков», - говорит Джозеф Торнтон, другой старший автор статьи. автор и профессор экологии, эволюции и генетики человека в Чикагском университете.
Ученые долгое время пытались понять, как генетические мутации изменили эмбриональное развитие, в результате чего появились разнообразные формы животных, которые мы видим сегодня. Но идентифицировать важные мутации очень сложно, потому что они произошли в далеком прошлом у давно вымерших животных и обычно смешиваются с множеством последующих мутаций.
Лаборатории Small Нью-Йоркского университета и Thornton Чикагского университета подошли к этой проблеме новаторским способом: вычислив последовательности древних генов на основе их современных потомков, химически воссоздав гены, а затем поместив их в эмбрионы мух, тем самым создав трансгенных эмбрионов, т. е. эмбрионов с чужеродным геном, чтобы проследить их влияние на развитие в лаборатории.
Исследование впервые использует реконструкцию предков в области эволюции развития, или эво-дево.
Исследователи сосредоточились на эволюции гена под названием bicoid. Бикоид запускает формирование структур на головном (переднем) конце эмбриона плодовой мушки, важного модельного организма, поскольку многие аспекты его генетики и развития являются общими с людьми и другими животными. Bicoid служит «главным регулятором» переднего развития, включая экспрессию набора генов, которые осуществляют развитие головы и подавляют развитие хвоста, и делают это только на переднем конце.
Bicoid долгое время представлял эволюционную загадку. Эмбрионы мух, лишенные активного белка Bcd, умирают очень рано, потому что вместо головы у них формируются хвостовые структуры на обоих концах. Но ген bicoid даже не существует у других насекомых или более отдаленных животных, которые используют другие гены для контроля переднего развития. Бикоид показывает, что даже самые фундаментальные аспекты развития могут кардинально измениться в ходе эволюции, но как происходит этот процесс, неизвестно.
Лаборатории Смолл и Торнтон стремились понять, как bicoid развил свою новую функцию развития несколькими способами: воссоздание гена-предшественника, из которого он развился, характеристика его биохимических функций, внедрение его в современных плодовых мушках, чей собственный bicoid ген был удален, изучая его влияние на формирование структур головы и экспрессию специфических генов, которые управляют развитием головы, и вводя исторические мутации в наследственный ген, чтобы определить их влияние.
Их первоначальные результаты показали, что у мух, несущих ген-предшественник, не развивается голова, с хвостами на обоих концах, и ни один из ключевых генов, участвующих в развитии головы, не экспрессируется должным образом. Затем группа ввела в ген-предшественник каждую мутацию, произошедшую в течение древнего периода, в течение которого бикоид развил свою новую роль.
Большинство изменений практически не повлияли на функции bicoid, но два из них вместе позволили bicoid активировать совершенно новый набор генов-мишеней. При введении в эмбрионы мух эта эволюционно мутировавшая версия bicoid активировала большинство генов, участвующих в развитии головы, на своих местах, и эмбрионы сформировали узнаваемые, хотя и неполные, структуры головы вместо хвостовых структур на переднем конце.
Группа пришла к выводу, что эти две мутации в сочетании были основными причинами функциональной эволюции bicoid, а дополнительные мутации в тот же древний период настраивали новую функцию гена.
«Объединив самые передовые методы биологии развития и эволюционной генетики, мы смогли проанализировать, как молекулярные изменения в древнем гене коренным образом изменили один из самых важных - и во всем остальном консервативных - процессов в развитии животных», - говорит Смолл. примечания.
Соавторы исследования - Циньвен Лю, научный сотрудник с докторской степенью в Чикагском университете, а также Пинар Онал и Рея Датта, которые на момент проведения исследования были научными сотрудниками в Нью-Йоркском университете (сейчас Датта является доцентом в Гамильтонском университете). Колледж). Среди других авторов Джулия Роджерс и Марта Булик из Гарвардского университета и Урс Шмидт-Отт из Чикагского университета.