Учёные определили ключевое для эволюции позвоночных семейство генов
Новое исследование под руководством Университета Колорадо в Боулдере показывает, что черты, отличающие позвоночных от беспозвоночных, стали возможны благодаря появлению нового набора генов около 500 миллионов лет назад. Это документирует важный эпизод эволюции, в котором новые гены сыграли значительную роль в развитии уникальных признаков позвоночных.
Результаты, опубликованные в Nature, демонстрируют, что семейство генов, обнаруженное только у позвоночных, критически важно для формирования черепа и других уникальных черт в процессе эмбрионального развития.
"У каждого животного, по сути, есть один и тот же базовый набор деталей Lego, из которых оно сделано. Эта работа показывает, что у позвоночных есть несколько дополнительных специальных деталей, и мы идентифицируем эти особые детали", — сказал Дэниел Медейрос, старший автор статьи.
Этими "особыми деталями" у позвоночных является сигнальный путь Эндотелина — набор генов, влияющих на межклеточную коммуникацию. Исследователи обнаружили, что это семейство генов отвечает за способность клеток нервного гребня — клеток, развивающихся в уникальные черты позвоночных, такие как части скелета, пигментные клетки и периферическая нервная система — пролиферировать и специализироваться для разных функций в организме.
Новые гены против дупликации генов
Эволюционные теории придавали большое значение роли дупликации генома в развитии новых признаков. Когда геном дублируется, новые копии существующих генов могут взять на себя новые роли. Однако, поскольку предыдущие идеи основывались в основном на наблюдениях, Медейрос хотел проверить, позволила ли именно дупликация генов позвоночным стать такими особенными, или же появление совершенно новых генов также сыграло свою роль.
Учёные проверили гипотезу, что новые семейства генов также могут приводить к новым признакам, генетически модифицируя личинок морской миноги (бесчелюстной рыбы) с помощью идентификации и удаления этого конкретного семейства генов. Их предсказание было таково: удаление должно "вернуть" личинку миноги в ходе развития к более червеобразному, беспозвоночному состоянию, похожему на эволюционного предка.
"Мы обнаружили, что, "выключив" это новое семейство генов, можно практически стереть большинство ключевых признаков позвоночных, которые делают их особенными", — сказал Медейрос.
Хотя дупликация генов по-прежнему остаётся важной частью эволюционного процесса (данное новое семейство генов также дублировано у позвоночных), исследователи выяснили, что дупликация была не так критична для возникновения особых типов клеток нервного гребня, как появление самого этого нового семейства генов.
"Мы думали, что дупликация генов — самое важное. Но здесь мы обнаружили, что обе эти вещи [новые гены и дупликации] происходят одновременно", — сказал ведущий автор Тайлер Сквер.
Обратная инженерия первой рыбы
Рыбы были первыми позвоночными, от которых произошли все остальные, включая человека. Однако в летописи окаменелостей существует пробел как раз в момент эволюции первых рыб, поскольку у них были маленькие мягкие скелеты, которые не сохранились.
"Вместо того чтобы смотреть на окаменелости, мы используем такие инструменты, как молекулярная биология и генетика, чтобы попытаться понять, как происходила эволюция, — своего рода генетическая палеонтология", — сказал Медейрос.
Для "обратной инженерии" они выбрали морскую миногу — бесчелюстную рыбу, эволюционно отделившуюся от других рыб 500 миллионов лет назад. Поскольку она сохранила несколько древних черт позвоночных, это даёт исследователям наилучшее представление о ранней стадии эволюции позвоночных на примере живого организма.
"Минога и человек крайне различны. Но проводя такие исследования, мы можем понять, что делает их одинаковыми. Это то, что действительно фундаментально для каждого существующего позвоночного", — сказал Сквер.
Роль технологии CRISPR
Сквер и его коллеги использовали инструмент редактирования генов CRISPR на ранних этапах его применения, чтобы выяснить, насколько важно это новое семейство генов для того, чтобы сделать позвоночных позвоночными.
"Это были дикие времена для CRISPR. Но мы не смогли бы сделать это вообще без CRISPR", — сказал Сквер.
Эта технология не только позволила функционально проверить гипотезы путём "выключения" генов, но и сделала команду первыми, кто применил CRISPR на морских миногах. Ранее эта технология использовалась только на некоторых позвоночных, таких как мыши, лягушки и рыбки данио.
"CRISPR демократизировал генетические исследования для разнообразных организмов. Это невероятно мощный инструмент для ответов на эволюционные вопросы", — заключил Медейрос.