Новые методы раскрывают связь между рыбьими плавниками и пальцами

Одним из ключевых изменений, позволивших потомкам рыб стать существами, способными ходить по суше, была замена длинных лучей плавников на пальцы рук и ног. В выпуске журнала Nature от 17 августа 2016 года учёные из Чикагского университета показали, что те же клетки, которые формируют лучи плавников у рыб, играют центральную роль в образовании пальцев у четвероногих существ.

После трёх лет кропотливых экспериментов с использованием новых методов редактирования генов и чувствительного отслеживания клеток (fate mapping) исследователи описали, как мелкие гибкие кости на концах плавников связаны с пальцами, более пригодными для жизни на суше.

«Когда я впервые увидел эти результаты, меня можно было сбить с ног перышком», — сказал старший автор исследования Нил Шубин, PhD, профессор организменной биологии и анатомии Чикагского университета, авторитет в области перехода от плавников к конечностям.

«Годами учёные считали, что лучи плавников совершенно не связаны с пальцами, абсолютно различны, потому что один тип кости изначально формируется из хряща, а другой — из простой соединительной ткани. Наши результаты меняют эту идею. Теперь нам есть о чём задуматься», — отметил Шубин.

Чтобы понять, как плавники могли превратиться в запястья и пальцы, исследователи в основном работали со стандартной рыбьей моделью — zebrafish (данио-рерио).

Тецуя Накамура, PhD, постдок в лаборатории Шубина, использовал технику редактирования генов CRISPR/Cas у zebrafish для удаления важных генов, связанных с построением конечностей, а затем селективно скрещивал zebrafish с несколькими целевыми делециями. Он потратил более двух лет на создание и скрещивание мутантных рыб, начав этот проект в Marine Biological Laboratories в Вудс-Хоуле, Массачусетс.

Параллельно Эндрю Герке, PhD, бывший аспирант лаборатории Шубина, совершенствовал методы мечения клеток, чтобы отследить, когда и куда мигрируют специфические эмбриональные клетки по мере роста и развития животных.

«Это был один из тех моментов "эврики". Мы обнаружили, что клетки, которые маркируют запястья и пальцы у мышей и людей, находятся исключительно в лучах плавников рыб», — сказал Герке.

Команда сосредоточилась на Hox-генах, которые контролируют план тела развивающегося эмбриона вдоль оси голова–хвост (или плечо–кончики пальцев). Многие из этих генов имеют решающее значение для развития конечностей.

Они изучали развитие клеток, начиная в некоторых экспериментах вскоре после оплодотворения, и отслеживали их, пока они не становились частью взрослого плавника. Предыдущие работы показали, что при удалении Hox-генов, связанных с запястьями и пальцами у мышей (HoxD и HoxA), эти структуры у мышей не развивались. Когда Накамура удалил те же гены у zebrafish, длинные лучи плавников сильно сократились.

«Важно не то, что происходит, когда вы выключаете один ген, а то, что происходит, когда вы делаете это в комбинации. Вот где случается волшебство», — объяснил Накамура.

Исследователи также использовали высокоэнергетический КТ-сканер, чтобы увидеть мельчайшие структуры в плавнике взрослой zebrafish. Эти структуры могут быть невидимы даже для большинства традиционных микроскопов. Сканирование показало, что у рыб, лишённых определённых генов, лучи плавников исчезали, но количество мелких костей, состоящих из хряща, увеличивалось.

Авторы предполагают, что созданные Накамурой мутанты заставили клетки прекратить миграцию от основания плавника к их обычному положению у кончика. Эта неспособность к миграции означала, что для создания лучей плавников оставалось меньше клеток, а больше клеток у основания плавника производило хрящевые элементы.

«Потребовалось именно сочетание мечения и нокаутов, чтобы убедить нас, что эта клеточная связь между плавниками и конечностями реальна», — сказал Герке.

Будущие исследования включают новые экспедиции для поиска большего количества ископаемых промежуточных форм (таких как Tiktaalik — звено между примитивной рыбой и первыми четвероногими, обнаруженное Шубином и коллегами в 2006 году) в переходе от плавников к конечностям. Также планируются эксперименты с Hox-генами, чтобы понять, как общая популяция клеток может формировать такие разные структуры у рыб и людей.