Разница между перепончатыми пальцами и отдельными пальцами может быть результатом не только генетической информации, но и того, как гены регулируют эту информацию. Исследователи из Национального института генетики, Исследовательской организации информации и систем (ROIS) в Японии обнаружили, что небольшое неспецифическое изменение ДНК млекопитающего может вызвать специфические и значительные физические изменения. Ученые недавно опубликовали результаты своего исследования в Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Мы стремимся проиллюстрировать, что изменение регуляторной информации определенного гена определенно вызывает изменение формы конечности», - сказал Тошихико Сироиси, профессор Лаборатории генетики млекопитающих в Национальном институте генетики в Японии и профессор на бумаге.
Широиси и его команда изучили мутантную линию мышей, получившую название «молоткообразный палец», которая появилась около 50 лет назад. Вместо четко очерченных пальцев у мышей этой линии перепончатые, а иногда и сросшиеся пальцы.
Предыдущие исследования демонстрируют появление многих мутаций в результате регуляции белка под названием Sonic hedgehog, отвечающего за дифференцировку клеток. Эти анализы, по словам Широиши, объясняют полидактилию - дополнительные пальцы, - но не мутацию, появляющуюся у мышей с молотообразными пальцами.
«Изначально мы думали, что это может быть один и тот же тип мутации, и рассмотрели энхансер», - сказал Сироиши, имея в виду фрагмент ДНК, который помогает белкам выражать определенные физические характеристики. «Но на самом деле мутация Hammer toe представляет собой большую вставку между энхансером и Sonic hedgehog».
Исследователи обнаружили некодирующий фрагмент ДНК из 14-й хромосомы, вставленный в пятую хромосому, рядом с геном Sonic hedgehog. Эта разница в типах мутаций объясняет уникальную особенность синдактилии молоткообразных пальцев стопы, в отличие от мутаций, которые приводят к полидактилии.
«В клеточном ядре ряд факторов транскрипции взаимодействует с геномом, чтобы организовать экспрессию генов», - сказал Широиси. «Добавление новой информации означает, что ген получает новую точку доступа для факторов транскрипции. Если фактор транскрипции является активатором, это повысит уровень экспрессии этого гена».
В случае линии Hammer toe фрагмент ДНК реагирует на факторы, вызывающие активность Sonic hedgehog, которая может отключить белок, ответственный за выживание межпальцевых клеток. Скелетные пальцы уже сформированы, поэтому недавно добавленная активность Sonic hedgehog позволяет сохраняться межпальцевым клеткам, превращая ожидаемые отдельные конечности в перепончатые.
«Разнообразие формы органов у позвоночных животных контролируется дифференциальной регуляцией генов», - сказал Сироиси. «Мы предоставляем недвусмысленные доказательства того, что межхромосомная транслокация способна генерировать энхансерную активность для гена развития, что в конечном итоге приводит к морфологическим изменениям."
По словам Сироиси, эта спонтанная мутация может иметь значение для понимания конвергентной эволюции. В качестве примера он указывает на морфологическое сходство перепончатых лапок лягушек, водоплавающих птиц и водосвинки, крупного грызуна. Он также отмечает перепончатый вид крыльев летучих мышей и то, как гены молоткопалых мышей также активируются в пальцах развивающихся крыльев летучих мышей.
«Во время эволюции летучие мыши приобрели регуляторную информацию для генов, активируемых в крыльях», - сказал Сироиси. «Мы хотели бы определить энхансеры, связанные с конвергенцией, у животных и выяснить, как регуляторная эволюция влияет на морфологическую конвергенцию».