Эволюционные новшества в зрении

Новое исследование из SciLifeLab при Уппсальском университете, опубликованное в PLOS ONE, показывает, что гены, критически важные для зрения, были умножены на ранних этапах эволюции позвоночных и приобрели различные функции, что привело к сложным механизмам глаз позвоночных.

Одна из поразительных особенностей позвоночных — важная роль зрения почти во всех основных группах животных. Глаз позвоночных имеет уникальную организацию и, как известно, возник во время появления первых позвоночных более 500 миллионов лет назад. Новое исследование группы под руководством Ксéсуса Абало и Дана Лархаммара объясняет, как древние дупликации генов сыграли решающую роль в эволюции новых функций.

Первый шаг в зрении — реакция на свет колбочек и палочек в сетчатке в задней части глаза. Двадцать лет назад первые исследования световых рецепторов, белков под названием опсины, у птиц показали, что цветовое зрение возникло раньше, чем черно-белое зрение в условиях слабого освещения, обеспечиваемое палочками. Эта гипотеза недавно была подтверждена детальными исследованиями генов опсинов у широкого спектра видов позвоночных (Давид Лагман и Даниэль Окампо Даса в команде Абало и Лархаммара, BMC Evol. Biol. 2013). Авторы обнаружили, что новые гены опсинов были сгенерированы, когда геном предка позвоночных удваивался дважды на заре их появления. Эти масштабные события дупликации генов привели ко многим новым функциям, не только для зрения, но и для других характерных черт позвоночных.

В новом исследовании Давид Лагман и его коллеги описывают эволюционные изменения на первом этапе передачи сигнала в каскаде зрения, опосредованного семейством G-белков под названием трансдуцины. Они запускают клеточный ответ, активируя критический фермент. Подобно тому, как опсины были умножены и развили различные функции в ранней эволюции позвоночных, трансдуцины и их фермент-мишень также были дублированы и дивергировали для разделения функций.

Новое исследование, опубликованное в PLOS ONE, представляет детальное описание трансдуцинов в сетчатке рыбки данио-рерио, широко используемого лабораторного животного на протяжении более тридцати лет. Этот вид не только сохранил все пять предковых опсинов позвоночных (два из которых были утрачены у млекопитающих, включая человека), но и демонстрирует большее разнообразие трансдуцинов. В то время как у человека есть три белка трансдуцина в колбочках и три в палочках, у данио-рерио их пять в колбочках и четыре в палочках благодаря третьему удвоению генома, уникальному для группы лучепёрых рыб, называемых телеостами.

Авторы изучили судьбу всех девяти генов трансдуцина в сетчатке данио-рерио и сообщают, что каждая дупликация отличается от своего шаблона поразительным образом. Во-первых, у данио-рерио наблюдается такое же различие, как и у человека, между версиями трансдуцина для колбочек и для палочек. Это показывает, что эти два типа клеток приобрели свои характерные свойства ещё до того, как предок ранних позвоночных примерно 420 миллионов лет назад дал начало одной линии, ведущей к рыбам-телеостам, и другой, ведущей к млекопитающим.

Во-вторых, специфичные для телеостов дупликаты обеспечивают новые специализации. Для одной такой пары дупликатов две копии имеют совершенно разные уровни экспрессии. Для второй пары генов трансдуцина одна копия присутствует в верхней части сетчатки, а её дубликат находится в нижней части, предположительно, из-за очень разной интенсивности света, попадающего на эти две части. Тот, что подвергается воздействию сильного света сверху, может обеспечивать защиту от повреждений. Кроме того, все три пары дупликатов демонстрируют дифференциальную экспрессию, поскольку одна из копий также экспрессируется в шишковидной железе, участвующей в эндокринной регуляции циркадных ритмов.

Эти результаты показывают, что дупликация генов и геномов была важным источником нового генетического материала, который впоследствии развил новые и более специализированные функции. Дубликаты генов могут быстро адаптировать изменённые паттерны экспрессии.

Означает ли это, что данио-рерио видят лучше людей? Давно известно, что данио-рерио способны обнаруживать ультрафиолетовый свет, а их сетчатка имеет гораздо более широкое распределение колбочек цветового зрения, чем человеческий глаз, у которого колбочки сконцентрированы в узкой области — центральной ямке. Новые данные добавляют специализации генов во времени, пространстве и количестве для дублированных генов. Даже если мы не знаем, как данио-рерио видят окружающий мир, дупликации генов явно позволяют возникать эволюционным новшествам из-за изменённого использования запасных копий генов, формируя зрительную систему, которая позволяет им успешно обитать в определённой среде, как и любому другому виду, включая человека.