Может ли плавник стать конечностью? Одиночные мутации превращают плавники рыб-зебр в сложные конечноподобные структуры

Переход от плавника к конечности — знаковая эволюционная трансформация. В исследовании, опубликованном 4 февраля в журнале Cell, ученые из Гарварда и Бостонской детской больницы изучили генетические механизмы, определяющие разные паттерны скелета плавника и конечности.

Исследователи под руководством М. Брента Хокинса провели прямой генетический скрининг у рыбок-зебр, чтобы найти мутации, влияющие на скелет плавника. В отличие от сложных конечностей тетрапод, грудные плавники зебр имеют простой внутренний скелет без суставов. К удивлению ученых, были обнаружены мутанты, у которых плавники трансформировались в более конечноподобную структуру с добавлением новых костей, мышц и суставов. Эти результаты показывают, что способность формировать конечноподобные структуры присутствовала у общего предка тетрапод и лучеперых рыб и сохранялась в латентном состоянии, которое можно активировать генетическими изменениями.

«Когда вы видите что-то, чего не должно быть никогда — в течение 400 миллионов лет, — это важное открытие», — сказал старший автор статьи Мэтью П. Харрис.

Рыбки-зебры принадлежат к линии лучеперых рыб — телеостов. Несмотря на огромное разнообразие видов, их грудные плавники остаются удивительно простыми и неизменными. В ходе эволюции тетрапод предковый плавник был модифицирован и усложнен, тогда как у телеостов он был редуцирован и упрощен.

Соавтор исследования Катрин Хенке провела прямой генетический скрининг, чтобы случайным образом мутировать ДНК и идентифицировать гены, контролирующие формирование скелета плавника. Ученые обнаружили, что мутации в генах waslb и vav2 вызывают изменение фенотипа плавника. Эти гены ранее не были известны своей ролью в паттернировании тела.

«Мы выяснили, что эти мутации вызывают увеличение экспрессии гена hoxa11b», — сказал Хокинс. «Этот ген очень интересен, потому что гены Hox частично ответственны за паттернирование позвоночного столба и регионов конечности. В частности, гены Hox11 необходимы для формирования предплечья».

Исследователи использовали передовой CRISPR-подход, чтобы вставить маркер в геном, показывающий активность определенного гена. Они заменили ген hoxa11b красным флуоресцентным белком, и клетки, экспрессирующие hoxa11b, светились красным. Этот инструмент позволил определить, что у мутантов повышенная экспрессия hoxa11b приводит к формированию новых костей.

Гистологический анализ показал, что новые кости имеют мышечные крепления, что характерно для костей конечностей, но не для плавников. У лучеперых рыб мышцы не прикрепляются к костям. Новые кости полностью интегрированы в плавник, имеют суставы для сочленения и крепления к мышцам плавника.

«До этого не было примеров, где гены или мутации действительно усложняли структуру», — отметил Хокинс. «Даже в случае конечностей мы знаем только, как сделать конечность меньше или проще, но у нас не было информации о том, как добавить элементы к плавнику или конечности».

«У нас не было экспериментальных примеров, где можно взять ген, усилить его работу и получить в итоге более сложную зрелую структуру. В наших результатах мы фактически нашли некоторые "регуляторы", которые могут усиливать генетические пути и приводить к более сложной структуре», — подтвердил Харрис.

Ранее другие исследователи удалили гены Hox11 у мышей и обнаружили, что это препятствует полному формированию лучевой и локтевой костей. «Учитывая, что и новые кости у нашего мутанта, и предплечье конечности расположены в средней части аппендикса, наш результат предполагает, что и плавники, и конечности используют сигналы Hox11 для спецификации этой области», — заявил Хокинс.

Это открытие хорошо согласуется с другим недавним открытием, что гены Hox13 необходимы для формирования дистальных областей как плавников, так и конечностей. В совокупности эти открытия показывают, что Hox-код аппендикса, вероятно, присутствовал у общего предка тетрапод и лучеперых рыб и не является специфичным только для линии тетрапод.

Это исследование показывает, что и плавники, и конечности используют одни и те же генетические механизмы для спецификации средней части аппендикса. В будущем Хокинс надеется исследовать вопрос: формируют ли плавники и конечности другие регионы аппендикса одинаковым способом?