Генетические изменения базовых процессов развития происходят чаще, чем считалось

Новообразованные гены могут быстро взять на себя контроль над фундаментальными функциями на ранних стадиях эмбрионального развития, сообщают учёные из Чикагского университета. Они идентифицировали ген, обнаруженный только у одной конкретной группы комаров-звонцов (Chironomus), который определяет формирование передне-задней оси (голова–хвост) у развивающихся эмбрионов. Этот вновь открытый ген выполняет ту же роль в развитии, что и неродственный, ранее известный ген bicoid, который, по-видимому, был утрачен или изменён в ходе эволюции у некоторых семейств мух. Результаты, опубликованные в Science 7 мая, позволяют предположить, что эволюционные изменения в генетике фундаментальных биологических процессов происходят чаще, чем считалось ранее.

«Гены, определяющие полярность эмбриона, не консервативны у мух, и их эволюционная замена, по-видимому, вовсе не редкость», — сказал старший автор исследования Урс Шмидт-Отт, доктор философии, доцент кафедры биологии организмов и анатомии Чикагского университета. «Захват контроля над этим ранним путём развития новыми или новообразованными генами происходит с гораздо большей частотой, чем считалось ранее».

У плодовой мушки Drosophila и родственных мух ген bicoid определяет, какой конец эмбриона разовьётся в голову, а какой — в хвост. Однако у большинства мух и других насекомых bicoid отсутствует, и то, как у них устанавливается эта ось, оставалось плохо изученным. Ранние исследования комаров-звонцов (chironomids) показали, что ультрафиолетовый свет или РНКаза, направленные на переднюю часть эмбрионов, приводили к формированию двойного брюшка (два хвостовых конца и отсутствие головы), что указывало на возможную роль локализованной в передней части яйца РНК как детерминанта головы.

Чтобы определить, какие именно продукты генов нарушались, команда Шмидт-Отта проанализировала и сравнила уровни экспрессии генов между передней и задней половинами эмбрионов Chironomus. Из тысяч кандидатов команда выделила конкретный ген, который оказался необходимым для формирования оси голова–хвост. Формирование двойного брюшка происходило, когда этот ген, названный panish, «заглушали» на ранних стадиях развития эмбрионов Chironomus. Нормальное развитие можно было восстановить, добавив независимый источник продукта гена panish.

Хотя panish и bicoid выполняют по сути одну и ту же функцию, они структурно не связаны и обнаружены у совершенно разных семейств мух. Оба гена действуют, регулируя другие гены, участвующие в генетическом паттернировании, но panish подавляет их, а bicoid — активирует.

Команда не нашла следов гена panish у мух, кроме Chironomus, что позволяет предположить, что panish — это новообразованный ген, который присвоил себе функцию регуляции оси голова–хвост. Учёные также перепроверили наличие гена bicoid и обнаружили, что он неоднократно терялся или существенно изменялся в ходе эволюции у некоторых плодовых мушек и мух цеце.

Несмотря на важность формирования оси голова–хвост для раннего эмбрионального развития, гены, регулирующие этот процесс, оказались плохо консервативными у мух, и новые гены брали на себя эту роль гораздо чаще, чем считалось.

Это открытие открывает множество новых направлений для исследований. Шмидт-Отт и его коллеги теперь изучают вопросы о том, как гены присваивают себе новые роли, почему это происходит так часто и есть ли у таких случаев общие черты.

«Поразительно, как новообразованный ген может за очень короткое время взять под контроль такой фундаментальный процесс, — сказал Шмидт-Отт. — Учитывая, что даже небольшая выборка изученных геномов уже указывает на четыре независимых фундаментальных замены, мы, вероятно, видим лишь "верхушку айсберга" таких событий».