Редкая рыба раскрывает общий «инструментарий» развития в эволюции

Экспедиция с аквалангом в Австралии и Новой Зеландии для поиска редких эмбрионов необычного родственника акулы позволила исследователям из США и Великобритании подтвердить новые сходства в развитии рыб и млекопитающих.

Исследователи из Чикагского и Кембриджского университетов обнаружили, что слоновая рыба (химера, родственник акул) использует тот же генетический процесс для формирования скелетных жаберных крышек, который ящерицы и млекопитающие используют для формирования пальцев. Точное время и место экспрессии этого гена во время эмбрионального развития приводят к резким анатомическим различиям между слоновой рыбой и её близким родственником — катраном.

Исследование, опубликованное 10 января в Proceedings of the National Academy of Sciences, подтверждает, что организмы, разделённые сотнями миллионов лет эволюции, используют сходные генетические программы для формирования тела.

«Исследование подчёркивает, насколько эволюция эффективна, используя уже существующие механизмы, а не изобретая новые», — сказал ведущий автор Эндрю Гиллис из Кембриджского университета. — «Просто изменяя время или место экспрессии гена в эмбрионе, можно получить совершенно разные анатомические результаты у взрослых особей».

Холоцефалы — семейство рыб, которые, как и акулы и скаты, имеют скелет из хряща. У них также есть придатки — жаберные лучи, растущие от центральных жаберных дуг скелета. В то время как у акул формируется несколько наборов таких лучей, у холоцефалов вырастает только один набор около головы, который впоследствии поддерживает жаберные крышки.

Поиск генетических механизмов этих анатомических различий долгое время требовал изучения эмбрионов, но это было сложно, поскольку холоцефалы откладывают яйца на дне океана.

Эндрю Гиллис, используя данные местных рыбаков, определил потенциально доступные районы размножения слоновой рыбы. С помощью погружений с аквалангом в холодных, илистых бухтах Австралии и Новой Зеландии исследователям удалось собрать драгоценную коллекцию эмбрионов для анализа в лабораториях.

Эмбрионы слоновой рыбы и катрана окрашивали на разных стадиях для выявления гена sonic hedgehog (Shh), фактора, контролирующего развитие тела. На ранних стадиях экспрессия Shh обнаруживалась у обоих видов в гиоидной дуге и четырёх жаберных дугах.

Однако через несколько недель экспрессия Shh сохранялась только в гиоидной дуге эмбриона слоновой рыбы, в то время как у эмбриона катрана ген продолжал экспрессироваться вдоль всех пяти дуг. Таким образом, различные паттерны экспрессии Shh соответствуют конечным анатомическим различиям в росте жаберных лучей.

Полученные данные демонстрируют, как небольшое изменение во времени экспрессии гена может привести к радикально разным анатомическим результатам у близкородственных видов. Динамика у слоновой рыбы — которая изначально имеет потенциал для пяти наборов жаберных лучей, но сокращает их число до одного — параллельна генетическим программам у других, совершенно разных видов, например, у ящериц с редуцированным числом пальцев.

«Это показывает, что история формирования конечностей является частью гораздо более общей истории — истории выростов тела», — сказал старший автор Нил Шубин. — «Существует общий инструментарий развития для всех выростов, которые мы знаем в теле; в смысле развития они все являются версиями друг друга».