Исследование летучих мышей может дать ключ к пониманию развития и аномалий конечностей у человека
Международная команда ученых впервые идентифицировала гены и регуляторные элементы, необходимые для развития крыла у натальского длиннопалого гладконоса (Miniopterus natalensis). Исследование представлено в двух статьях, опубликованных 28 марта в Nature Genetics и PLoS Genetics.
Работа выявила регуляторные переключатели, которые включают и выключают гены летучих мышей в ключевые моменты развития конечности. Это имеет значение для понимания того, как формируются различия в размере, форме и структуре конечностей у млекопитающих в целом, включая человека.
"Это дает нам первую детальную картину геномики, лежащей в основе развития крыла летучей мыши", — сказал соавтор исследования Надав Ахитув (UCSF).
Летучие мыши — единственные млекопитающие, способные к активному полету, который, как считается, возник около 50 миллионов лет назад. Однако переход от древолазающих млекопитающих к формам с удлиненными пальцами, поддерживающими крыло, плохо отражен в палеонтологической летописи.
Гены развития крыла
В статье в Nature Genetics ученые сначала секвенировали весь геном натальского длиннопалого гладконоса. Затем они провели молекулярно-геномный анализ эмбрионов летучих мышей.
Исследователи идентифицировали более 7000 генов, которые по-разному экспрессируются в передних конечностях по сравнению с задними на трех ключевых стадиях развития крыла. Были обнаружены различия в активности многих сигнальных путей, важных для формирования конечностей, роста пальцев, развития длинных костей и клеточной смерти.
Кроме того, ученые нашли тысячи генетических переключателей — энхансеров, — которые регулируют время и уровень экспрессии генов и демонстрируют различия в активности между передними и задними конечностями.
"Эта работа определила не только то, какие гены экспрессируются на какой стадии роста, но и генетические переключатели в геноме, ответственные за включение и выключение этих генов", — отметил Ахитув.
Эволюционное происхождение крыла
В исследовании, опубликованном в PLoS Genetics, команда искала эволюционное происхождение крыла летучей мыши. Ученые идентифицировали геномные последовательности, которые почти не изменились у большинства позвоночных, но претерпели быстрые изменения у общего предка современных летучих мышей — так называемые "участки, ускоренные у летучих мышей" (bat accelerated regions, BARs).
Исследователи сопоставили эти 166 BARs с областями, которые, как предсказывалось, являются важными переключателями генов во время развития конечностей. Пять из этих последовательностей были протестированы на генетически модифицированных эмбрионах мышей, и все пять смогли активировать репортерный ген в развивающейся передней конечности мыши.
Один из регионов, BAR116, расположен рядом с генами HoxD, которые участвуют в формировании конечностей и росте скелета. Ученые показали, что последовательность BAR116 у летучей мыши функционирует как генетический переключатель, активный в развивающихся конечностях, особенно в передних, тогда как эквивалентная последовательность мыши не проявляла активности.
"Наш вычислительный метод позволил идентифицировать последовательности ДНК, которые резко изменились во время возникновения летучих мышей. Захватывающе видеть, что эта эволюционная сигнатура указала нам на части генома млекопитающих, контролирующие развитие конечностей", — сказала соавтор Кэтрин Поллард (Gladstone Institutes).
Помимо раскрытия новых фундаментальных деталей эволюционного и эмбрионального происхождения полета у летучих мышей, это исследование может дать более широкое представление о биологических процессах, контролирующих развитие конечностей у млекопитающих в целом.
"Эта работа углубит наше понимание того, как изменения в развитии конечностей могут привести к их аномалиям у человека. Потенциально это может в конечном итоге помочь в разработке инструментов и методов для предотвращения таких пороков развития", — заключил Ахитув.