Як відростити пальці – аналітичний портал
Вчені з лабораторії Ніла Шубіна змогли знайти у риби прототип генетичного механізму, відповідального за формування кисті як у сучасних чотирилапих. Про виконану роботу вони написали до журналу PNAS.
400 мільйонів років тому в морі плавали риби, ворушачи плавцями, а на суші ще не бігало жодних хребетних на чотирьох ногах. Найдавніші чотириногі амфібії, що повністю сформувалися, знайдені у відкладах, яким 365 мільйонів років. Серед видів перехідних форм, що дожили до сьогодні, між рибами і тетраподами відсутні, викопні перехідні форми також довго не вдавалося знайти. Перша така перехідна форма була знайдена в 2004 році на острові Елсмір, що знаходиться біля західного краю Гренландії. Скелет був знайдений у відкладеннях віком 375 мільйонів років, на той час острів був прибережним регіоном стародавнього материка і знаходився приблизно на екваторі. Вибрати назву для викопного виду попросили місцеву Раду старійшин, і викопну істоту назвали тиктаалік («налим» мовою інуктитут).
Після цього було знайдено й інші перехідні форми, і тепер з морфологічного погляду більш-менш зрозуміло, як відбувалася адаптація до ходіння суходолом. У розділі «Перехідні форми» з книги Олександра Маркова та Олени Неймарк «Еволюція. Класичні ідеї у світлі нових відкриттів», у розділі «Вперед, у повітряний космос», можна почитати про викопні перехідні форми між рибами та рептиліями та про сучасні погляди на те, як все відбувалося.
Викопні форми, проте, дають уявлення лише про морфологічні зміни. У деяких випадках можна намагатися виділити ДНК і намагатися оцінити генетичні зміни, але на сьогоднішній день вважається (і тут навряд чи може щось покращитися), що навіть в ідеальнихумовах вічної мерзлоти ДНК не зберігається довше 1 мільйона років. Тобто можна прочитати геном мамонта або неандертальця, досить легко відновити геном збудника грипу «іспанки» або бактерій, які викликали середньовічні епідемії чуми, але нічого не можна вдіяти з риб'ячим скелетом, якому понад 300 мільйонів років. Ще складніше відновити картину епігенетичної регуляції. Її вдалося відновити для ДНК неандертальців та денісівської людини. Виявилося, що патерн метилювання (приєднання метильних груп до ДНК знижує активність даної ділянки) стародавніх і сучасних людей відрізнявся, зокрема, у генах HoxD, що управляють розвитком кінцівок, про які сьогодні ще йтиметься.
Тому якщо хочемо зрозуміти, які процеси на молекулярно-генетичному рівні відповідали виходу хребетних на сушу, потрібно вивчати види, які дожили донині.
Автори статті задалися питанням про походження максимально віддалених від тіла частин кінцівок – кисті та стопи. Плани будови кисті та стопи дуже схожі: з ближньої до тіла сторони знаходяться дрібні кістки зап'ястя (у кисті) та передплюсни (у стопи), далі по п'ять витягнутих кісток п'ясті та плюсни та фаланги пальців. Ніякої подібності з рибами, що нині живуть, не відзначається (є, правда, з викопними проміжними формами). Щось схоже, та й то віддалено, є тільки у променеперих риб. У скелеті їхніх плавців ближче до тіла знаходяться довші кістки, а ближче до кінця вони розгалужуються на дрібніші. Автори статті вирішили докладніше дослідити питання, чи є у риб щось схоже на кістки стоп і кистей чотирилапих хребетних.
Молекулярні механізми формування кінцівки добре вивчені у мишей. Розвитком кінцівок (і всієї геометрії тіла) управляють гомеозові гени, кластери HoxA та HoxD. Кожен зкластерів складається з десятка генів, вони записані в ДНК поспіль і кодують білки – транскрипційні чинники, які безпосередньо управляють розвитком. У активності цих генів у розвитку кінцівки дві фази. Під час першої фази активніші гени в «лівій» частині ланцюжка, а гени в «правій» частині активні тільки в деяких клітинах. Ця фаза пов'язана з формуванням плеча та передпліччя (стегна та гомілки). Під час другої фази навпаки активізуються раніше неактивні гени, і вона якраз пов'язана з формуванням кисті і стопи. Першою і другою фазою управляють регуляторні елементи - енхансери, що знаходяться якраз «зліва» і «справа» від послідовності, що кодує. На початку відповідної фази відбувається епігенетична активація відповідного енхансеру.
Гомеозні гени є висококонсервативними і є у багатьох видів. Деяка подібність є навіть між гомеозисними генами людини та дрозофіли, незважаючи на дуже різний план будови тіла. Тим більше, самі гени у мишей та риб дуже схожі, різниця в основному в принципах регуляції. Автори зайнялися пошуком у риб аналогічних регуляторних механізмів.
Раніше вони вже шукали сліди цих механізмів у Danio rerio – популярної акваріумної рибки та не менш популярної моделі для біологів розвитку. Незважаючи на те, що подібні епігенетичні події відбувалися, енхансерні області, пересаджені мишам, не змогли активувати гени під час формування кінцівки мишей.
На цей раз вирішено було повторити пошук, але вже у плямистої панцирної щуки (Lepisosteus oculatus), чий геном нещодавно був просеквенований. Еволюційно плямиста щука панцирна відокремилася від інших костистих риб до того, як у більшості з них відбулися масштабні зміни в геномі. Якоїсь миті у частини костистих риб сталосяповне подвоєння геному, що могло сильно вплинути на механізми регулювання окремих генів.
Виявилося, що енхансерні послідовності L. оculatus цілком впоралися з експресією генів у кінцівках мишей на належних етапах розвитку, підтвердивши цим наявність у риб механізмів, необхідні розвитку кінцівки у наземних хребетних.