Как змеи потеряли «чертёж» для создания конечностей
Змеи потеряли конечности более 100 миллионов лет назад, но учёные долго не могли определить генетические изменения, вовлечённые в этот процесс. Статья в журнале Cell от 20 октября проливает свет на этот процесс, описывая участок ДНК, участвующий в формировании конечностей, который мутировал у змей. Когда исследователи вставили эту змеиную ДНК в мышей, у животных развились укороченные конечности. Это говорит о том, что критически важный участок ДНК утратил способность поддерживать рост конечностей в ходе эволюции змей.
«Это один из многих компонентов ДНК-инструкций, необходимых для создания конечностей у людей и, по сути, всех других позвоночных с ногами. У змей он сломан», — говорит Аксель Визель, генетик из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли и старший автор статьи. — «Вероятно, это один из нескольких эволюционных шагов, которые произошли у змей, которые, в отличие от большинства млекопитающих и рептилий, больше не могут формировать конечности».
Современные змеи претерпели одни из самых драматичных изменений плана строения тела в эволюции позвоночных. Чтобы изучить молекулярные корни этой адаптации, Визель и его коллеги начали с анализа опубликованных геномов змей, включая геномы базальных змей, таких как удав и питон (у них есть рудиментарные ноги — крошечные кости конечностей, скрытые в мышцах), и продвинутых змей, таких как гадюка и кобра, которые полностью утратили структуры конечностей. В этих геномах они сосредоточились на гене Sonic hedgehog (Shh), участвующем во многих процессах развития, включая формирование конечностей. Исследователи углубились в изучение одного из регуляторов гена Shh — участка ДНК под названием ZRS (Zone of Polarizing Activity Regulatory Sequence), который присутствовал у змей, но претерпел изменения.
Чтобы определить последствия этих мутаций, исследователи использовали метод редактирования генома CRISPR для вставки ZRS от различных других позвоночных в мышей, заменяя их собственный регулятор. С ZRS других млекопитающих, например, человека, мыши развивали нормальные конечности. Даже при вставке ZRS от рыб, чьи плавники структурно сильно отличаются от конечностей, мыши развивали нормальные конечности. Однако когда исследователи заменили мышиный ZRS на версию от питона или кобры, у мышей развивались сильно укороченные передние и задние конечности.
«Используя эти новые геномные инструменты, мы можем начать исследовать, как разные эволюционные версии одного и того же энхансера влияют на развитие конечностей, и фактически видеть, что происходит», — говорит Визель. — «Раньше мы в основном смотрели на последовательности и строили догадки о молекулярной эволюции, но теперь мы действительно можем вывести эти исследования на новый уровень».
Чтобы идентифицировать мутации в ZRS змей, ответственные за его инактивацию в ходе эволюции, исследователи внимательнее изучили эволюционную историю отдельных изменений последовательности. Сравнивая геномы змей и других позвоночных, они выявили одну особенно подозрительную делецию (удаление) длиной 17 пар оснований, которая встречалась только у змей. Эта делеция удалила участок ZRS, играющий ключевую роль в регуляции гена Shh у животных с конечностями.
Исследовательская группа «повернула эволюционные часы вспять», восстановив недостающие 17 пар оснований в искусственно созданной гибридной версии ZRS питона, и протестировала отредактированную ДНК на мышах. Те особи, которые несли в своём геноме эту эволюционно «воскрешённую» версию ZRS вместо своего нормального регулятора, развивали нормальные ноги. Однако Визель предостерегает, что эволюционные события, вероятно, были сложнее, чем просто одна делеция: «В мышином ZRS, вероятно, заложена некоторая избыточность. Несколько других мутаций в ZRS змей, вероятно, также сыграли роль в утрате его функции в ходе эволюции».
Конечно, змеи — не единственные позвоночные, лишённые рук и ног. Некоторые ящерицы, угри и другие рыбы, морские млекопитающие также в разной степени адаптировались к редукции конечностей, и, вероятно, прошли несколько иной эволюционный процесс. «Утрата конечностей происходила независимо много раз в ходе эволюции животных, и можно с уверенностью предположить, что были задействованы мутации, затрагивающие другие гены», — говорит Визель. — «Это сложная проблема, но с появлением инструментов редактирования генома мы наконец-то можем начать более систематически связывать конкретные изменения ДНК с изменениями формы тела».