Как генетическая схема могла помочь эволюции крыльев насекомых
В большинстве развивающихся тканей сигналы, называемые морфогенами, действуют как маяки, направляя близлежащие клетки к их судьбе. Каждая клетка полагается на такие сигналы для формирования организованных структур, таких как органы и конечности. Но, как объясняет Жан-Поль Венсан, "для эволюции крупных структур эти сигналы должны достигать особенно далеко".
Команда Венсана из Института Крика изучает, как клетки взаимодействуют для формирования органов в процессе развития, используя плодовых мушек (Drosophila).
В новом исследовании, опубликованном в Current Biology, команда идентифицировала петлю обратной связи сигналинга, которая, по их мнению, могла быть жизненно важной для эволюции крыльев насекомых и, следовательно, полета.
Усиление сигнала
Ключевым морфогеном был Dpp — сигнал, существующий в разных концентрациях по всему крылу плодовой мушки и ключевой для его развития. Поскольку крылья — изолированные кусочки ткани в развивающихся личинках, они не получают сигналов из других частей организма.
Исследователи обнаружили, что по мере ослабления сигнала Dpp в ткани, другая молекула — Brinker — формирует обратный градиент. Этот градиент формируется исключительно в ответ на градиент Dpp. Ген Brinker репрессируется Dpp и, следовательно, экспрессируется все сильнее по мере ослабления сигнала Dpp.
Ученые выяснили, что Brinker находится в центре схемы обратной связи. "Как только он установлен, обратный градиент Brinker берет на себя роль основного определителя позиционной информации клеток, далеко от источника Dpp", — описывает ведущий автор исследования Анки Хуанг.
Эволюционный прорыв
Команда исследовала, когда в ходе эволюции Brinker стал важен для усиления досягаемости Dpp. Анализ публично доступных геномных последовательностей показал четкую границу: Brinker был найден только у насекомых и отсутствует у близкородственных ракообразных.
Насекомые были первыми животными, у которых развились крылья, но некоторые остались бескрылыми, например, чешуйница (огненная щетинохвостка, отряд Zygentoma). Исследования с использованием геномной последовательности чешуйницы (сопоставимой по размеру с человеческим геномом) показали, что у этого бескрылого вида ген Brinker существует, но не формирует градиент и еще не связан с передачей сигнала Dpp.
Это говорит о том, что опосредованная Brinker схема обратной связи могла быть эволюционной инновацией крылатых насекомых.
"Насекомые были первыми животными, которые развили полет, около 400 миллионов лет назад, примерно в то время, когда на нашей планете впервые появились деревья", — добавляет Венсан. "Таким образом, включение Brinker в сигнальную сеть Dpp совпало со способностью насекомых осваивать новые среды обитания над землей и, таким образом, стать одним из самых успешных классов в древе жизни".