Разные гены — одинаковые признаки: как колюшки потеряли таз

Новое исследование показало, что когда два вида колюшковых рыб эволюционировали и лишились тазового пояса и костных пластин (брони), эти изменения у каждого вида были вызваны разными генами. Это удивило учёных, которые ожидали, что одни и те же гены контролируют одинаковые изменения у родственных рыб.

«Мы знали, что во многих случаях эволюции один и тот же ген использовался снова и снова — даже у разных видов — для формирования одинаковой анатомии, — говорит ведущий автор Майк Шапиро. — Теперь мы обнаруживаем, что разные гены могут вызывать сходные эффекты».

Исследование проливает свет на то, как эволюция создаёт разнообразие в природе, и на эволюцию утраты конечностей — не только таза и брюшных шипов у колюшек.

Генетическая основа конвергентной эволюции

Исследование сосредоточено на конвергентной эволюции — независимом возникновении одного и того же признака у разных видов. Ключевой вопрос: используют ли виды один и тот же ген или разные гены для эволюции одинакового признака? Известны случаи, когда один ген отвечал за один признак у двух видов. Новое исследование показывает, что у двух видов колюшек за одинаковые признаки ответственны разные гены.

Учёные составили первую геномную карту (генетический чертёж) для вида девятииглой колюшки и сравнили её с ранее изученным геномом трехиглой колюшки.

Разная генетика — одинаковый результат

Исследование не выявило конкретные гены, а определило участки хромосом, где они расположены:

• Утрата таза: У девятииглой колюшки ген, ответственный за потерю таза, находится на хромосоме 4. У трехиглой колюшки этот ген называется Pitx1 и расположен на хромосоме 7.
• Изменение количества костных пластин: У девятииглой колюшки соответствующий ген находится на хромосоме 12. У трехиглой колюшки этот ген — Eda — расположен на хромосоме 4.
• Определение пола: Гены определения пола у девятииглой колюшки находятся на хромосоме 12, а у трехиглой — на хромосоме 19.

«Это очень удивительно, потому что эти виды довольно близкородственны», — отмечает Шапиро.

Исторический контекст: ледники и изоляция

После таяния ледников 15 000–20 000 лет назад морские колюшки заселили образовавшиеся пресноводные озёра. Популяции адаптировались к новым условиям: изменилась форма тела, количество брони, а у некоторых полностью исчез таз — «эквивалент потери ног у наземных животных».

В море брюшные шипы защищают от хищных рыб. Но в озёрах, где нет таких рыб, но есть личинки стрекоз, шипы становятся недостатком: хищные личинки хватают рыб за них. Поэтому у озёрных популяций колюшек без тазовых шипов был выше шанс выжить.

Методология

Для исследования скрестили двух девятииглых колюшек без таза (из Аляски и Канады). В потомстве (120 особей) половина имела таз, половина — нет. Анализ ДНК потомства позволил создать геномную карту и сравнить её с данными по трехиглой колюшке.

Более широкое значение

Исследование демонстрирует, что у близкородственных видов за один признак могут отвечать разные гены. При этом известно, что один ген (например, Pitx1 или Eda) может контролировать сходные признаки у эволюционно далёких групп: Pitx1 связан с потерей таза у трехиглой колюшки и с косолапостью у человека, а Eda регулирует количество костных пластин у рыб и мутирует при заболевании человека, характеризующемся отсутствием потовых желёз, уменьшением числа зубов и недостатком волос.

Источник: University of Utah