Надежные генетические сети из глубин нашей эволюционной истории

Исследователи из Базельского университета пролили новый свет на генетический "инструментарий", используемый в ходе эволюции для создания различных конечностей — плавников, крыльев, копыт, пальцев рук и ног.

Развитие конечностей контролируется сложной системой. Мутации, влияющие на развитие, встречаются относительно часто, но эмбриональное развитие обычно протекает безупречно благодаря генетическим программам, управляемым цепями генов, которые могут подстраховывать друг друга.

Исследовательская группа профессора Рольфа Целлера и PD. д-ра Айме Цуниги изучает этот процесс на примере ключевого регулятора развития конечностей — белка Gremlin1. Этот белок предотвращает слишком раннее формирование костей и тонко настраивает активность нескольких сигнальных сетей. Он критически важен для правильного образования зачатков конечностей — крошечных эмбриональных структур, из которых развиваются наши конечности.

Сеть, обеспечивающая идеальное развитие

Исследования на эмбрионах мышей позволили расшифровать еще один уровень регуляции и надежности этой программы. В журнале Nature Communications ученые описывают серию "переключателей", встроенных в геном всех позвоночных, которые гарантируют выработку правильного количества Gremlin1 в нужном месте. Эти переключатели называются энхансерами.

Цунига сравнивает систему с освещением в комнате, управляемым несколькими выключателями. Свет позволяет прочитать инструкции по построению правильно сформированных конечностей. "Сначала мы не знали, какой вклад вносит каждый отдельный выключатель. Оказалось, что все они вносят вклад в систему освещения: если один сломается, количество света изменится незначительно или не изменится вовсе, и информацию все еще можно прочитать. Вот почему система такая надежная. Однако если сломается слишком много выключателей, информации будет прочитано слишком мало, а в худшем случае — вообще никакой".

Анализ, проведенный аспирантом Йонасом Малкмусом и коллегами, показал, что отдельные энхансеры можно инактивировать, не нарушая выработку Gremlin1 и развитие конечностей. Однако ниже определенного порога функционирующих переключателей система дает сбой и возникают пороки развития. "Множественные защитные механизмы в системе объясняют, почему врожденные дефекты из-за генетических изменений в регуляции Gremlin1 крайне редки", — говорит Малкмус.

Стабильность с потенциалом для изменений

Исследователи также обнаружили эволюционные корни этой надежной системы. Ее ядро, обеспечивающее правильное количество и распределение Gremlin1 в эмбрионах человека, существовало у рыб уже более 400 миллионов лет назад. "Это показывает, что у эволюции уже был инструментарий для развития конечностей еще до того, как плавники превратились в ноги, а первые животные вышли на сушу", — объясняет Цунига.

В ходе эволюции менялась активность отдельных энхансеров и, как следствие, распределение Gremlin1. "Активность генетических переключателей и распределение Gremlin1 в зачатках конечностей предопределяют их последующее развитие в плавники, крылья, копыта или кисти и стопы", — поясняет Целлер.

Если бы производство Gremlin1 регулировал только один переключатель, эволюционное давление, заставляющее сохранять его в неизменном виде, было бы огромным. "Система со многими переключателями гарантирует, что она не выйдет из строя легко, — говорит Цунига. — И она дает эволюции пространство для изменений". Таким образом, отдельные переключатели могли меняться без значительного давления, что сыграло свою роль в развитии широкого спектра конечностей в истории эволюции.