Подсчёт зубов у рыб выявил регуляторные изменения ДНК, лежащие в основе быстрой эволюции и адаптации
Колюшки, идеальные животные для изучения генов, контролирующих форму тела, переселились из океана в десятки тысяч пресноводных ручьёв и озёр по всему миру, каждый раз меняя скелет для адаптации к новой среде.
Скрещивание морских и пресноводных популяций колюшек выявило один из генов, контролирующих количество зубов, а также доказательство того, что простое изменение регуляции этого гена в пресноводной популяции связано с почти двукратным увеличением числа зубов. Учёные из Калифорнийского университета в Беркли полагают, что соответствующий ген у человека может быть вовлечён в формирование зубов, челюсти и костей.
«Это исследование предполагает, что ген под названием Bmp6 играет ключевую роль в регенерации органов позвоночных», — сказал ведущий исследователь Крейг Миллер. — «Понимание регенерации зубов может привести, например, к способу замены зубов у людей».
«Также ясно, что существует биологическая связь между количеством зубов и расщелиной нёба, потому что одни и те же области генома контролируют и то, и другое», — добавил он. — «Понимание того, какие гены контролируют количество зубов, важно для понимания причин пороков развития, таких как расщелина нёба».
Миллер и его коллеги из Калифорнийского университета в Беркли и Стэнфордского университета сообщили о своих выводах в последнем выпуске журнала Proceedings of the National Academy of Sciences.
Быстрая адаптация к пресной воде
Как и лосось, двухдюймовая трёхиглая колюшка (Gasterosteus aculeatus) является анадромной: она живёт в океанах, но заплывает в пресноводные ручьи для нереста. С конца последнего ледникового периода 12 000 лет назад многие колюшки колонизировали озёра и ручьи, где их тела быстро адаптировались: у них развилось больше зубов и более сильные челюсти, предположительно, чтобы раскалывать более крупную добычу в пресной воде, и они потеряли броню, возможно, из-за меньшего количества хищников. В одном озере на Аляске эти изменения заняли всего 10 лет.
В 2012 году Миллер, его научный руководитель Дэвид Кингсли из Стэнфордского университета и учёные из Broad Institute в MIT секвенировали геномы колюшек из 21 популяции. Они установили, что все колюшки, по-видимому, имеют одни и те же гены, но быстрые изменения в регуляторной ДНК позволили им изменять экспрессию своих генов для быстрой адаптации к меняющейся среде.
Поскольку предковые морские популяции всё ещё могут скрещиваться с пресноводными, исследователи могут проводить межпопуляционное скрещивание, чтобы отследить гены и регуляторные области, ответственные за эти изменения тела. В новой работе содержится 171 аквариум с колюшками из 11 популяций по всему миру.
Усиление генов
Новое исследование определяет один вероятный ген — костный морфогенетический белок 6 (Bmp6) — ответственный за количество зубов. Хотя ген, по-видимому, идентичен у всех колюшек, регуляторные участки ДНК, расположенные рядом с Bmp6, различаются у морских и пресноводных рыб, что позволяет предположить, что изменённая регуляция ответственна за дополнительные зубы. Ген Bmp6 экспрессируется на более высоком уровне у пресноводных рыб, чем у морских.
«Мы думаем, что усиление сигнала Bmp6 удваивает количество зубов», — сказал Миллер. — «Эта довольно простая генетическая основа для приобретения чего-то нового, например зубов, удивительна. Очень крошечное изменение в регуляторе имеет большой эффект».
Усиление активности Bmp6 происходит поздно в развитии личинки рыбы, когда она уже почти дюйм в длину и на полпути к взрослой особи. До этого времени у пресноводных и морских рыб одинаковое количество зубов. Количество зубов у пресноводных колюшек продолжает увеличиваться на протяжении всей их жизни по мере увеличения площади зубной пластины и плотности зубов.
«Мы обнаружили, что пресноводные колюшки продолжают постоянно производить зубы и, кажется, никогда не замедляются, тогда как предковая форма перестаёт производить больше зубов», — сказал он.
Миллер и его коллеги локализовали ген Bmp6, скрестив морских колюшек с Аляски с пресноводными колюшками из озера Пакстон в Канаде. У канадских рыб примерно в два раза больше зубов, чем у аляскинских морских рыб. Ранее он определил семь областей генома рыб, участвующих в контроле количества зубов. Новое исследование сузило одну из них до участка ДНК на хромосоме 21, который содержит ген Bmp6.