Дополнительный ген — материал для эволюции рыб
Учёные предполагали, что «запасные части» в геноме — дополнительные копии функциональных генов, возникающие при дупликации генов или целых геномов — могут служить сырьём для эволюции новых признаков. Теперь исследователи сообщают в статье, опубликованной 3 сентября в Current Biology, что обнаружили яркий пример этого явления у рыб.
Исследователи показали, что дублированная копия гена, участвующего в эмбриональном развитии, взяла на себя новую и явно менее важную роль в формировании рыбьей чешуи. У рыбок данио с мутантной версией этого дополнительного гена рецептора фактора роста фибробластов 1 (fgfr1) наблюдалось уменьшение образования чешуи. Более того, именно этот «запасной» ген fgfr1 лежит в основе аналогичной потери чешуи у одомашненного карпа, которого люди селективно разводили на протяжении последних 2000 лет.
«Наше открытие — отличный пример того, как дупликация [гена] поддерживает разнообразие форм», — сказал Мэттью Харрис из Института биологии развития Общества Макса Планка.
«“Настроив” использование одной из двух копий гена fgfr1 у рыб, отряд лучепёрых, к которому относятся данио и карп, получил специализированный “инструментальный” ген, который теперь контролирует вариации формы, специфичные для взрослой особи», — добавил Николас Ронер, также из Института Макса Планка.
Виды рыб превосходят по численности всех других позвоночных вместе взятых и включают множество форм с поразительными чертами, соответствующими разнообразным средам обитания, отметили Харрис и Ронер. Лучепёрые рыбы, в частности, представляют собой крупнейшую группу позвоночных, включающую более 26 000 видов с удивительным разнообразием форм и физиологии. Хотя генетическая основа этого разнообразия мало изучена, очевидно, что дупликация генов широко распространена среди лучепёрых, предоставляя источник генетического сырья для отбора.
В новом исследовании учёные сначала изучили мутантные линии данио в поисках особей с изменениями плавников, черепа или чешуи — структур, которые часто различаются у разных видов. Они сосредоточились на линии с меньшим количеством чешуи и необычным её расположением — аномалией, которую они связали с геном fgfr1.
«Мы были удивлены, обнаружив, что серьёзные кодирующие мутации в таком важном гене развития вызывают фенотип, специфичный для взрослой особи и жизнеспособный», — сказал Харрис, добавив, что у мутантных данио не было явных дефектов по сравнению с обычными.
Дальнейшее исследование показало причину: у данио есть две копии гена fgfr1, которые функционируют избыточно во время эмбрионального развития. Один из этих двух генов также необходим для формирования чешуи у молоди.
Но могут ли результаты, полученные на данио, рассказать что-то о вариациях у других рыб? Ответ — да, по крайней мере, в случае одомашненного карпа.
«Расцвет карпа пришёлся на Средние века, когда монахи разводили его как замену мясу во время Великого поста», — сказал Ронер. Тогда, вероятно, и появилась изучаемая «зеркальная» порода карпа с характерным уменьшением чешуи. Исследователи теперь показывают, что изменения в гене fgfr1 ответственны за этот тип чешуи, который, по-видимому, был отобран и закреплён селекционерами в процессе одомашнивания вида.
Полученные данные об одомашненном карпе, вероятно, будут важны для понимания эволюции других видов рыб в природе, говорят учёные.
«Зафиксированный нами случай морфологического изменения — результат искусственного отбора при одомашнивании, который сильно отличается от естественного отбора, — пишут они. — Однако вполне вероятно, что те же самые гены могут быть причиной схожих фенотипических изменений, произошедших в ходе естественной эволюции. Действительно, потеря чешуи не редкость у рыб: в пределах отряда Cypriniformes (к которому относятся данио и карпы) уменьшение и/или потеря чешуи независимо возникали в природных популяциях по крайней мере тринадцать раз в шести разных семействах».
Источник: Nicolas Rohner et al.; Duplication of fgfr1 permits Fgf signaling to serve as a target for selection during domestication; Current Biology, 13 октября 2009, онлайн-публикация 3 сентября 2009; doi: 10.1016/j.cub.2009.07.065