Почему у коров только два пальца: ключевой генный переключатель

В ходе эволюции парнокопытных, таких как коровы и свиньи, количество пальцев на конечностях сократилось и преобразовалось в парные копыта. Учёные Базельского университета идентифицировали ключевой генный регуляторный переключатель, ответственный за эту адаптацию. Исследование, опубликованное в Nature, даёт новые представления о молекулярной истории эволюции.

Ископаемые данные показывают, что первые примитивные парнокопытные имели по пять пальцев на конечностях. В процессе эволюции структура скелета значительно изменилась: у бегемотов осталось четыре пальца, у свиней второй и пятый пальцы повёрнуты назад, а у коров дистальный скелет состоит из двух рудиментарных «прибылых» пальцев и двух симметричных удлинённых средних пальцев, формирующих раздвоенное копыто.

Сравнительный анализ эмбрионального развития

Команда под руководством профессора Рольфа Целлера сравнила активность генов, контролирующих развитие пальцев, у эмбрионов мыши и коровы.

Развитие конечностей у обоих видов изначально сходно, но молекулярные различия проявляются на стадии формирования зачатков конечностей:

• У эмбрионов мыши Hox-гены распределены асимметрично, что важно для формирования пяти отдельных пальцев.
• У эмбрионов коровы распределение этих генов с ранних стадий симметрично.

«Мы полагаем, что эта ранняя потеря молекулярной асимметрии запустила эволюционные изменения, которые в итоге привели к формированию копыта», — говорит профессор Целлер.

Потеря асимметрии предшествовала редукции пальцев

Учёные сосредоточились на сигнальном пути Sonic Hedgehog (SHH), который контролирует экспрессию Hox-генов. Они обнаружили, что у эмбрионов коровы клетки-предшественники дистального скелета не экспрессируют рецептор Patched1 — «антенну» для сигнала SHH.

Без этого рецептора сигнал SHH не воспринимается, и развитие пяти отдельных пальцев нарушается. Исследователи установили, что изменения в определённом цис-регуляторном модуле генома связаны с потерей рецепторов Patched1 и асимметрии у коров.

«Выявленные генетические изменения в этом регуляторном переключателе дают беспрецедентное молекулярное объяснение тому, как конечности парнокопытных отделились от других млекопитающих около 55 миллионов лет назад», — поясняет Целлер. Причина инактивации этого переключателя пока не ясна, но учёные предполагают, что это результат прогрессивной эволюции.