Как животные используют одни и те же гены для формирования конечностей и глаз

Последний общий предок головоногих моллюсков и позвоночных существовал более 500 миллионов лет назад. Кальмар, например, более близок к моллюску, чем к человеку. Тем не менее, обе линии независимо эволюционировали, создав глаза камерного типа с очень схожими чертами: одной линзой спереди и чашеобразной сетчаткой, воспринимающей изображение, сзади.

Исследователи из FAS Center for Systems Biology обнаружили сеть генов, важных для развития глаза кальмара, которые, как известно, также играют ключевую роль в развитии конечностей у животных, включая позвоночных и насекомых. Учёные считают, что эти гены были перепрофилированы у кальмаров для создания глаз камерного типа.

Результаты могут помочь понять, как эти гены и связанные с ними клеточные пути функционируют как у головоногих, так и у позвоночных. Это также служит примером того, как разные эволюционные линии могут использовать имеющиеся генетические инструменты для достижения удивительных эволюционных результатов.

"Это было довольно шокирующе, потому что очень немногие думают, что хрусталик глаза похож на ногу", — сказала Кристен Кёниг, старший автор исследования. — "Один из больших вопросов в биологии — как создаются новые морфологические признаки. Хрусталик кальмара — это новшество для его линии. Им пришлось создать линзу с нуля, чтобы хорошо видеть. Эта работа предполагает, что нужно взять имеющиеся инструменты и использовать их для новых целей".

Учёные из лаборатории Кёниг предполагают, что обнаруженная сеть генов у кальмара может быть важна не для создания конкретных органов, а для выполнения более общей функции, полезной для определённых процессов развития, включая формирование конечностей и хрусталика. Эти функции могут включать точную регуляцию экспрессии генов, которая размещает нужные типы, количество и форму клеток в нужном месте в нужное время. Конечности и хрусталики глаз, например, начинаются как плоский лист клеток, который формируется в концентрические круги, напоминающие мишень, и развивается до своей окончательной формы.

"Наше открытие опровергает идею о том, что эта сеть эволюционировала исключительно для функции 'роста конечностей', — сказал ведущий автор исследования Кайл Дж. Маккаллох. — Она служит более широкой функции для любого типа паттерна, требующего мотива концентрических кругов, включая конечности, хрусталик, рост зубов и, возможно, другие, которые нам ещё предстоит определить".

Исследователи получили лучшее представление о роли этих генов, манипулируя клеточным путём WNT-сигналинга. У плодовых мушек этот путь известен тем, что запускает гены, ведущие к развитию конечностей.

Эксперименты на эмбрионах кальмара показали, что сверхактивация этого пути приводит к потере хрусталика глаза. Это привело учёных к мысли, что различия в том, как WNT-сигналинг действует на эти гены, могут быть важны для того, как кальмар контролирует экспрессию генов в конечности по сравнению с хрусталиком.

"В конечном итоге эта работа показывает силу изучения разнообразных систем, — сказала Кёниг. — Удивительно, что гены, которые мы так хорошо изучили в других модельных системах, таких как плодовые мушки и позвоночные, и чью функцию мы считали понятной — формирование конечностей, — используются для совершенно другого органа у кальмара. Это меняет наше представление о том, что делают эти канонические гены в развитии. Глядя на разнообразие жизни, мы можем точнее понять, что делают эти гены".