Исследование гена MN1 раскрывает связь коэволюции мозга и черепа

Новое исследование Института эволюционной биологии Макса Планка показало, как ген MN1 эволюционировал, чтобы формировать и мозг, и череп во время эмбриогенеза. Эта связь имеет важные последствия для понимания эволюции, развития и врожденных дефектов. Работа опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Мозг и череп — биологический дуэт, растущий и формирующийся в идеальной координации на ранних стадиях развития. Эта тесная связь — не просто совпадение. За миллионы лет эволюции мозг и череп адаптировались вместе, формируя друг друга для обеспечения защиты, функции и выживания. Ученые давно наблюдали эту связь, но генетические инструкции, направляющие этот синхронизированный рост, и то, как он эволюционировал, оставались в значительной степени неизвестными.

Исследователи обнаружили, что ген MN1, изначально ассоциированный с опухолями мозга и лейкемией, на самом деле эволюционировал сотни миллионов лет назад у примитивных беспозвоночных животных. С появлением позвоночных, у животных с более сложным мозгом и черепом, ген претерпел структурные изменения и стал незаменимым для развития позвоночных.

Ген с начала времен вторичноротых

Ученые проследили происхождение MN1 до примитивных беспозвоночных. Хотя структура гена у них отличается, основная последовательность MN1 сохранилась в ходе эволюции позвоночных. У челюстных позвоночных MN1 приобрел новый короткий экзон, кодирующий C-концевой домен, который стал важным для его функции в развитии мозга и формировании черепа.

Команда обнаружила, что MN1 помогает формировать паттерн эмбрионального мозга на ранних стадиях развития и, в свою очередь, контролирует формирование костей черепа. Без MN1 нарушается сегментация мозга, черепные нервы формируются аномально, а кости черепа развиваются неправильно — что отражает дефекты, наблюдаемые у людей при таких синдромах, как волчья пасть, деформации черепа и задержки нейроразвития.

Примечательно, что эти проблемы перекликаются с ранее наблюдаемыми эффектами изменения уровней ретиноевой кислоты. Команда показала, что MN1 контролирует уровни ретиноевой кислоты — жизненно важной молекулы в развитии эмбриона — и паттерны экспрессии генов Hox, которые действуют как чертеж, направляющий план тела эмбриона вдоль оси голова-хвост. Это связывает функцию MN1 с известными и древними сигнальными путями.

Это открытие проливает свет на то, как у позвоночных эволюционировали две определяющие черты — мозг и череп — и как один ген помогает поддерживать синхронизацию их формирования и роста. Исследование также освещает более широкую концепцию — как эволюция генов позволяет им интегрироваться в древние молекулярные системы и движет инновациями и макроэволюционными переходами.

Результаты также предлагают объяснение, почему некоторые пациенты с лейкемией плохо реагируют на терапию ретиноевой кислотой. Пациенты с высоким уровнем MN1 проявляют устойчивость к лечению, вероятно, из-за того, что MN1 обеспечивает быструю деградацию препарата, предотвращая его действие. Исследование также устанавливает связи с многочисленными нарушениями у человека, где усечения и мутации в MN1 были связаны с нейроразвивающими и черепно-лицевыми синдромами.