Происхождение цветного зрения: роль удвоений генома

Около 500 млн лет назад у ранних предков позвоночных произошло удвоение генома — не один, а два раза. Это привело к появлению дополнительных копий генов, которые смогли развить новые функции. Ещё одно удвоение случилось примерно 350 млн лет назад у предка лучепёрых рыб. Эти древние события драматически повлияли на эволюцию зрения.

Колбочки и палочки сетчатки обеспечивают зрение: колбочки чувствительны к цвету, а палочки — к чёрно-белому изображению. В своей диссертации Дэвид Лагдан показывает, что многие гены, определяющие различия между палочками и колбочками, происходят от ранних удвоений генома позвоночных.

«Ключевые компоненты глаза — это белки, которые улавливают свет и запускают ответную реакцию в палочках и колбочках. У первобытных позвоночных было до пяти типов световых рецепторов, четыре из которых использовались для цветового зрения. Два из них позже были утрачены предками млекопитающих, но до сих пор существуют, например, у птиц и рыб, что даёт им, по крайней мере в определённой степени, лучшее цветовое зрение, чем у людей», — говорит Дэвид Лагдан.

Компоненты, передающие сигнал в палочках и колбочках, также стали более многочисленными у ранних позвоночных. А у лучепёрых рыб последующие дупликации генома привели к ещё большему количеству компонентов, чем в палочках и колбочках млекопитающих.

Исследовательская группа также изучила, как эти дополнительные генетические копии изменились в ходе эволюции у рыбки данио-рерио — модельного организма в физиологии и биологии развития. Работа показывает, что гены, кодирующие зрение у данио-рерио, используются в тех же типах клеток, что и их аналоги у млекопитающих. Это указывает на очень древнюю специализацию.

«Неожиданным открытием стало то, что определённые геномные копии у данио-рерио используются в разных частях сетчатки. Некоторые из них даже задействованы в шишковидной железе, которая напоминает глаз, но в первую очередь регулирует наши биологические часы. Некоторые гены зрения оказались активными на разных уровнях в течение дня, что является ещё одним примером специализации, возникшей благодаря наличию дополнительных копий генома. Таким образом, мы обнаружили, что дупликация генов сотни миллионов лет назад привела к нескольким различным типам функциональной дифференциации. Это означает, что значительная часть эволюции может происходить благодаря генетической дупликации с последующими изменениями», — говорит Дэвид Лагдан.

Диссертация также демонстрирует важность изучения того, как используются гены. Эти знания облегчают использование данио-рерио в качестве модельного организма для углубления понимания механизмов работы глаза даже у человека, открывая новые возможности для разработки методов лечения заболеваний, влияющих на зрение.