Высокотехнологичное исследование пещерной рыбы выявило возможную генетическую связь с нарушениями у человека

Исследователи обнаружили генетическую ассоциацию с асимметрией лица у древней пещерной рыбы — естественный признак, который может помочь разгадать тайны лицевой асимметрии у людей, таких как расщелина нёба или гемифациальная микросомия. Это открытие сделали Джошуа Гросс, доцент кафедры биологических наук Университета Цинциннати, и аспиранты Аманда Крутцлер и Брайан Карлсон. Результаты опубликованы в журнале Genetics.

Учёные изучают черепно-лицевые особенности слепой пещерной рыбы Astyanax mexicanus, которая миллионы лет обитает в абсолютно тёмных пещерах региона Сьерра-де-Эль-Абра в Мексике. Их сравнивают с близкородственными зрячими рыбами, живущими на поверхности в Мексике, Техасе и Нью-Мексико.

У этих пещерных рыб нет глаз, хотя они остро чувствительны к звуку и вибрации. Несмотря на отсутствие глаз, у них есть несколько схожих костных структур в области глазниц по сравнению с их зрячими поверхностными сородичами. Это позволило исследователям напрямую сравнивать признаки. Однако пещерные рыбы выглядят совершенно иначе, поскольку они альбиносы и почти прозрачны, в отличие от тёмно-пигментированных поверхностных рыб.

Исследователи скринируют геномы каждой особи из гибридного потомства, выращенного в их лаборатории, в поисках генов, которые могут приводить к вариациям в размере глаз или пигментации. У пещерных рыб они обнаружили генетические маркеры на двух отдельных хромосомах, связанные с обширной фрагментацией костей на правой стороне черепа. Хотя фрагментация костей также происходит на левой стороне черепа, при оценке левой стороны черепа никаких генетических ассоциаций выявлено не было. У зрячих поверхностных рыб эти черепно-лицевые аномалии никогда не наблюдались.

«Понимая, как гены ведут себя по-разному на правой и левой сторонах, мы надеемся выяснить, почему многие черепно-лицевые изменения у людей более выражены или присутствуют только на одной стороне лица», — говорит Гросс.

Сейчас исследователи сужают поиск до точных генов, связанных с этими черепными аномалиями. Есть указания, что два гена, ранее показавшие связь с расщелиной нёба у людей — костный морфогенетический белок номер четыре (BMP4) и член семейства трансформирующего фактора роста бета 3 (TGFB3) — могут быть аналогично вовлечены в естественные формы костной асимметрии.

Предыдущие исследования показали, что ген, вызывающий рыжие волосы и светлую кожу у людей, — тот же самый ген, который обуславливает меньшую пигментацию у альбиносоподобных пещерных рыб по сравнению с поверхностным видом.

Создание семейного древа потомства

Исследователи скрестили пещерную рыбу с поверхностной, а затем скрестили между собой гибридное потомство. Некоторые особи в этом семейном древе имели альбиносные качества пещерной рыбы, но обладали полностью развитым глазом. Другие демонстрировали тёмную пигментацию поверхностного родителя, но имели очень маленький глаз.

«Мы можем продвинуться в понимании генетического происхождения нескольких аналогичных нарушений у человека, расширив репертуар модельных систем, представленных лабораторными мышами, рыбками данио и так далее, — объясняет Гросс. — Многие методы и технологии были разработаны на этих мощных модельных системах, однако они крайне инбредны. В результате инбредная модель не позволит нам понять, как и почему черепно-лицевые аномалии развиваются в природе. Мы можем использовать слепую пещерную рыбу Pachón, чтобы пролить свет на нерешённые вопросы, например, как и почему возникают асимметричные черепно-лицевые пороки у людей».

«Дополнительные исследования с использованием растущего числа новых пещерных моделей открывают захватывающую перспективу прояснения давних проблем современной эволюционной и позвоночной биологии», — добавляет Гросс.

Видео: Высокотехнологичная визуализация в поддержку исследования

Исследователи из Университета Цинциннати используют передовые технологии для построения высокодетализированных трёхмерных реконструкций гибридов поверхностных и пещерных рыб Astyanax mexicanus. Они обратились в Центр визуализации Детской больницы Цинциннати для проведения микро-компьютерной томографии (микро-КТ) более чем на 200 родственных рыбах. Эта технология позволила сделать более 1000 рентгеновских снимков для каждой рыбы, которые затем объединили и преобразовали в высокодетализированный 3D-череп с помощью программы Amira.

Аспирант-исследователь Аманда Крутцлер отмечает, что интерактивная программа позволяет вращать 3D-модель черепа рыбы и проводить точные измерения любых интересующих признаков. Кроме того, микро-КТ позволяет визуализировать мягкие ткани, такие как мозг или сердечно-сосудистая система. > «Эти сканирования создадут огромный массив данных для нашей лаборатории, который обеспечит проектами как студентов, так и аспирантов вроде меня», — говорит Крутцлер. Программное обеспечение было приобретено на грант Национального института стоматологических и черепно-лицевых исследований.

Кроме того, аспирант Брайан Карлсон использовал программное обеспечение Circos для визуализации связей между геномом пещерной рыбы и геномом рыбки данио. > «Чем больше маркеров общих между данной группой сцепления пещерной рыбы и хромосомой данио, тем толще лента, которая их соединяет. Эти представления помогают выделить сходства между геномами и в конечном итоге могут помочь в идентификации генетических локусов, лежащих в основе изучаемых нами признаков, указывая, какие участки генома данио могут содержать гены, влияющие на эти признаки», — поясняет Карлсон.