Жуки-циклопы указывают на решение проблемы «курицы и яйца» в эволюции новых признаков

Исследование жуков с глазами-циклопами позволило учёным из Университета Индианы понять, как новые признаки могут эволюционировать за счёт рекрутирования уже существующих генов — даже если эти гены уже выполняют критические функции.

Исследование, опубликованное в Proceedings of the Royal Society B, возглавил Эдуардо Заттара, постдок из Департамента биологии Колледжа искусств и наук в Блумингтоне. Оно вышло параллельно с другой работой под руководством студентки-исследовательницы Ханны Бьюзи, опубликованной в Journal of Experimental Zoology.

Открытие было сделано после «выключения» генов orthodenticle у рогатых жуков рода Onthophagus (навозные жуки). Нокаут этих генов вызвал радикальные изменения в структуре головы насекомых, включая потерю рогов — недавно эволюционировавшей структуры, используемой самцами в боях за доступ к самкам, — а также рост фасеточных глаз в совершенно неожиданном месте: на верхней центральной части головы.

Результаты были специфичны для Onthophagus; те же изменения не дали такого же эффекта у жуков Tribolium (мучные хрущаки), у которых нет рогов.

«Мы были поражены, что отключение гена может не только прекратить развитие рогов и основных областей головы, но и запустить развитие очень сложных структур, таких как фасеточные глаза, в новом месте», — сказал Заттара.

Использование Onthophagus в качестве модельной системы для изучения эволюции новых признаков было впервые применено Армином Мочеком, профессором Департамента биологии, который является старшим автором статей. Работа с Tribolium была проведена Дэвидом Линцем и Ёши Томоясу в Университете Майами.

Личинки жуков вылупляются из эмбрионов, растут и превращаются во взрослых особей. Многие гены, важные для формирования головы личинки во время эмбрионального развития, были известны из исследований на Tribolium, но было неизвестно, участвуют ли они в формировании головы взрослой особи во время метаморфоза.

В своём исследовании Бьюзи удаляла небольшие участки кожи с голов личинок Onthophagus, а затем отслеживала, в каких местах у взрослых особей отсутствовала ткань. «Используя эту микрохирургическую технику, мы создали карту, показывающую, какая область личиночной головы формирует каждую часть головы взрослой особи», — сказала она.

Исследование Заттары использовало эти результаты для отбора генов, необходимых эмбрионам для построения головы личинки, и их отключения, чтобы проверить, есть ли у них какие-либо функции в построении головы взрослой особи.

Среди выбранных генов был orthodenticle (otd), который участвует в развитии головы от простых беспозвоночных до сложных млекопитающих. Если otd удалить, большинство эмбрионов животных не разовьют голову или мозг. Эмбрионам жуков также нужен otd для правильного развития головы, но его функция у личинок или взрослых особей не была известна.

Однако, когда Заттара и коллеги отключили гены otd у личинок двух видов Onthophagus, они обнаружили, что otd приобрёл новую функцию: реорганизацию головы во время метаморфоза, интегрируя в этот процесс рога.

Они также обнаружили, что отключение этих генов уменьшало или устраняло рога жуков и связанные с ними области головы и, что поразительно, индуцировало развитие «циклопных» фасеточных глаз на верхней центральной части головы, где они обычно у насекомых не встречаются.

Хотя те же манипуляции с жуками Tribolium не повлияли на развитие головы и не вызвали роста дополнительных глаз, учёные с удивлением обнаружили, что гены otd всё ещё экспрессировались в том же месте, что и у личинок и взрослых особей Onthophagus.

Результаты предполагают, что сохраняющаяся экспрессия генов в специфических тканях или на стадиях жизни, где они больше не выполняют функцию, может служить «ступенькой» для рекрутирования этих генов в создание новых признаков.

«Эти исследования предлагают решение важной проблемы "курицы и яйца" современной эволюционной биологии развития», — сказал Заттара. «Чтобы ген выполнял новую функцию, ему нужно активироваться в правильное время и в правильном месте. Но трудно придумать вескую причину, по которой ген стал бы активен в новом контексте, не выполняя уже какой-то важной функции».

«Здесь у нас ситуация, когда ген уже находится в нужном месте — в голове, — просто не в нужное время: у эмбриона, а не у взрослой особи», — добавил Мочек. «Позволяя доступности гена сохраняться на более поздних стадиях развития, легче представить, как он мог бы в конечном итоге быть захвачен эволюцией и использован для новой функции, такой как позиционирование рогов».