Биологи выявили генетический механизм в эволюции новых признаков
Биологи давно спорят, требует ли эволюция новых признаков появления новых генов или же они могут возникать просто за счёт рекрутирования существующих генетических путей, говорит биолог-эволюционист Крейг Альбертсон из Массачусетского университета в Амхерсте.
Теперь результаты «элегантного набора экспериментов» на африканских цихлидах, проведённых его аспиранткой Мойрой Конит, подтверждают идею, что новые признаки могут возникать из-за усиления экспрессии существующих в организме генно-регуляторных модулей. Подробности опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Хотя рекрутирование существующих молекулярных путей было показано у беспозвоночных, примеры у позвоночных редки», — отмечает Альбертсон. «У нас теперь есть веские доказательства, что эволюция этого причудливого признака обусловлена, по крайней мере частично, увеличением экспрессии ключевых членов существующей генной сети». Этим признаком является сильно увеличенная морда, нависающая над верхней челюстью и зубами, что помогает этим рыбам отрывать жёсткие нитчатые водоросли от камней.
Исследователи показали, что морда цихлиды состоит из двух тканей: межчелюстной связки, соединяющей правую и левую стороны верхней челюсти, и покрывающей её рыхлой соединительной ткани. Связка присутствует у всех цихлид, но у рыб с очень крупными мордами эти ткани сильно развиты и переплетены, причём связка крепится к коже, образуя уникальный связочно-эпителиальный комплекс.
Подозревая, что за этим стоит кандидатная генно-регуляторная сеть, участвующая в развитии связок, включающая путь трансформирующего фактора роста бета (Tgfβ) и транскрипционный фактор Склераксис (Scx), Альбертсон и Конит провели эксперименты с манипуляцией белками, изучением экспрессии генов и генетическим картированием. «Она обнаружила, что не только эти факторы экспрессируются на более высоком уровне у рыб с крупными мордами, — говорит Альбертсон, — но и экспериментальное манипулирование сигнализацией Tgfβ у рыб без таких морд достаточно для роста более толстой связки и более крупных морд».
Генетическое картирование показало, что специфические мутации, ведущие к развитию увеличенной морды, коррелируют с членами пути Tgfβ. «Оказалось, что да, — говорит Альбертсон. — Хотя мы не нашли убедительных доказательств мутаций в самом Tgfβ или вокруг него, мы нашли их для членов пути, работающих внутри клетки. И специфичный для связок транскрипционный фактор scx, и сигнальные трансдукторы SMAD, которые работают, чтобы транскрибировать или "включать" scx, были затронуты нашим исследованием генетического картирования».
Кроме того, генетическое картирование указало на белок Adam12, ранее не известный своим участием в формировании связок, что было подтверждено на модели рыбки данио-рерио. В совокупности эксперименты, финансируемые Национальным научным фондом, поддерживают гипотезу о том, что путь Adam12–Tgfβ–Scx представляет собой предсуществующий генетический модуль для развития связок, который был рекрутирован для эволюции крупных морд у этих рыб.
«Что касается пути Tgfβ–Scx, уже было известно, что он участвует в развитии связок и сухожилий. По сути, мы показываем, что этот эволюционный скачок обусловлен простым "усилением" этого пути развития. Это относительно простое молекулярное изменение привело к довольно сложному фенотипу, — говорит Альбертсон. — Что касается Adam12, мы предлагаем совершенно нового игрока в формировании связок, и поэтому, изучая этот причудливый признак, мы узнали что-то новое, что должно представлять общий интерес для научного сообщества».