Ученые создали мух с древними генами, чтобы изучить эволюцию
Ученые из Нью-Йоркского университета и Чикагского университета создали плодовых мушек с реконструированными древними генами, чтобы выяснить, как древние мутации привели к крупным эволюционным изменениям в эмбриональном развитии.
Исследование, опубликованное в журнале eLife, показало, что две мутации, возникшие 140 миллионов лет назад, изменили функцию критически важного гена развития, который теперь регулирует формирование головы и других структур практически у всех современных видов мух.
"Мы обнаружили, что всего две случайные мутации стали основными причинами глубокого изменения процессов развития животного — изменения, которое стало незаменимым для всех его ныне живущих потомков", — говорит Джозеф Торнтон, соавтор работы.
Методология исследования
Лаборатории подошли к проблеме инновационным способом:
- Вычислительное восстановление древних последовательностей генов на основе их современных потомков.
- Химическое воссоздание этих генов.
- Внедрение генов в эмбрионы мух для изучения их влияния на развитие в лаборатории.
Это первое исследование, применившее метод ancestral reconstruction в области эволюции развития (evo-devo).
Фокус на гене bicoid
Ученые сосредоточились на эволюции гена bicoid. Этот ген:
- Запускает формирование структур на головном (переднем) конце эмбриона плодовой мушки (Drosophila).
- Является "главным регулятором" переднего развития, активируя гены, ответственные за развитие головы, и подавляя развитие хвоста.
Эволюционная загадка bicoid
Эмбрионы мух без активного белка Bcd погибают, формируя хвостовые структуры на обоих концах. Однако гена bicoid не существует у других насекомых или более отдаленно родственных животных, которые используют другие гены для контроля переднего развития.
Ключевые результаты эксперимента
- Мухи с предковым геном-предшественником не развивали голову, у них формировались хвосты на обоих концах.
- Из всех древних мутаций, возникших в период эволюции bicoid, большинство не оказали существенного эффекта.
- Две конкретные мутации вместе позволили bicoid активировать совершенно новый набор генов-мишеней.
- Эмбрионы с этой эволюционной мутантной версией гена активировали большинство генов развития головы в правильных местах и формировали узнаваемые (хотя и неполные) головные структуры.
Вывод
Именно комбинация двух этих мутаций стала основной причиной функциональной эволюции bicoid. Дополнительные мутации в тот же древний период лишь отточили новую функцию гена.