Современная генетика подтверждает древнюю связь между плавниками и конечностями

Палеонтологи задокументировали эволюционные адаптации, позволившие древним лопастепёрым рыбам преобразовать грудные плавники в сильные костные структуры, как у Tiktaalik roseae. Это позволило первым тетраподам ползать на мелководье или суше. Однако у современных конечностей (аутопода — запястий, пальцев, лодыжек и пальцев ног) нет очевидного морфологического аналога в плавниках ныне живущих рыб.

В выпуске Proceedings of the National Academy of Sciences от 22 декабря 2014 года исследователи утверждают, что предыдущие попытки найти связь провалились из-за фокуса на неправильных рыбах. Вместо этого они обнаружили рудиментарный генетический механизм формирования аутопода у млекопитающих в непримечательной рыбе — пятнистой панцирной щуке (spotted gar), чей геном недавно секвенировали.

"Ископаемые показывают, что запястье и пальцы явно имеют водное происхождение, — сказал Нил Шубин, профессор анатомии Чикагского университета. — Но плавники и конечности имеют разное назначение. Мы хотели изучить их связь, добавив генетические и молекулярные данные к тому, что мы уже знаем из летописи окаменелостей".

Первоначальные попытки подтвердить связь на основе сравнения формы костей провалились. Кости аутопода (мелкие кости запястья и длинные кости пальцев) сильно отличаются от костей плавников современных рыб (длинные кости, заканчивающиеся мелкими круглыми радиалиями).

Основные гены, формирующие кости — кластеры HoxD и HoxA, — также различаются. Исследователи протестировали генетические "переключатели" (switches), контролирующие эти гены у костистых лучепёрых рыб (teleosts), на трансгенных мышах. Однако рыбьи переключатели не активировали развитие аутопода.

Исследователи осознали, что телеостые рыбы — не идеальный объект для сравнения. При поиске генетических переключателей, отвечающих за формирование запястий и пальцев, они обнаружили "отсутствие консервативности последовательностей" у видов телеост.

Проблему они связали с радикальным генетическим изменением: более 300 миллионов лет назад предок линии телеост пережил удвоение всего генома (whole-genome duplication, WGD). Это дало телеостам огромный потенциал для диверсификации и адаптации, но привело к тому, что генетические переключатели, контролирующие гены аутопода, "дрейфовали и перетасовывались", изменяя свою функцию и усложняя их идентификацию.

Однако не все костные рыбы пережили WGD. Пятнистая панцирная щука отделилась от линии телеост до удвоения генома.

Сравнив переключатели Hox-генов панцирной щуки и тетрапод, учёные обнаружили "беспрецедентный и ранее не описанный уровень глубокой консервативности регуляторного аппарата аутопода позвоночных". Это указывает на высокую степень сходства между дистальными радиалиями костных рыб и аутоподом тетрапод.

Это подтвердил эксперимент: вставка переключателей генов панцирной щуки, связанных с развитием плавников, в эмбрионы мыши вызвала паттерны активности, "почти неотличимые" от тех, что управляются мышиным геномом.

"В целом наши результаты предоставляют регуляторные доказательства древнего происхождения 'поздней' фазы экспрессии Hox, ответственной за построение аутопода", — заключают исследователи.