Важное генетическое происхождение наших чувств идентифицировано

Наличие головы — большое преимущество. Хотя это звучит банально, это прошло долгий эволюционный процесс: по мере развития животной жизни беспозвоночные изначально доминировали в океанах. У них уже были структуры головы, но развитие новой, улучшенной головы привело к успеху позвоночных. Эта "новая голова" позволила широкое пространственное распределение и умножение сенсорных клеток, а значит, гораздо лучшее восприятие окружающей среды. Это также было важно для развития хищнического образа жизни.

При передаче внешних стимулов в мозг позвоночных важную роль играют черепные сенсорные ганглии. Их можно представить как нервные узлы, распределенные по голове, которые получают информацию от органов чувств. До сих пор ученые не знали точно, как именно формируются эти ганглии. Исследование, опубликованное в Nature, дает ответы.

Прототип позвоночных

Исследовательская группа Уте Ротбэхер из Института зоологии Университета Инсбрука присоединилась к международной коллаборации нескольких институтов. Их результаты показывают, что черепные сенсорные ганглии позвоночных возникают из генетической программы, которая также обнаружена у их ближайших ныне живущих родственников — оболочников (туникат). У личинок оболочников определенные сенсорные нейроны, называемые биполярными хвостовыми нейронами, расположены в хвостовой области. Они обрабатывают внешние стимулы, но также отвечают за движение животного. У обоих подтипов животных соответствующие структуры формируются геном Hmx.

"Оболочники — это как эволюционный прототип позвоночных", — объясняет Ротбэхер. "Между взрослыми особями этих подтипов существует большой анатомический разрыв, так как они адаптированы к экологическим нишам. Это осложняет исследование их эволюции. Общие структуры и механизмы можно выявить только на эмбриональной стадии — наш общий предок, вероятно, был очень похож на личинку оболочника".

Модельными организмами исследования были минога, примитивная рыба, похожая на угря, которую часто называют "живым ископаемым", и оболочник Ciona intestinalis, окруженный желтоватой трубчатой мантией, которая защищает животное и фильтрует пищу.

Консервативный ген

Алессандро Пеннати, аспирант исследовательской группы Ротбэхер, изучал функцию гена Hmx у Ciona. Он применил технологию CRISPR-Cas9 для избирательного нокаута генетических последовательностей, в то время как метод транзиентной трансгенезии использовался для сверхэкспрессии генов.

Исследователи обнаружили, что Hmx контролирует развитие биполярных хвостовых нейронов у оболочников, тогда как у позвоночных он делает это для черепных сенсорных ганглиев. Удивительно, что сегменты гена Hmx миноги, вставленные в ДНК Ciona, проявляли активность, аналогичную собственному гену Hmx Ciona.

"Было показано, что Hmx — центральный ген, который консервативен в ходе эволюции. Он сохранил свою первоначальную функцию и структуру и, вероятно, существовал в такой форме у общего предка позвоночных и оболочников", — объясняет Пеннати.

Таким образом, черепные сенсорные ганглии и биполярные хвостовые нейроны имеют общее эволюционное происхождение; Hmx, вероятно, был решающе вовлечен в формирование высокоспециализированных головных сенсорных органов у позвоночных.