У всех нас руки из... клоаки: почему генетическая программа ваших пальцев — это копия кода, управлявшего клоакой
Великий выход на сушу — один из ключевых сюжетов в истории жизни на Земле. Мы представляем себе эту картину так: рыбоподобное существо, выползает из воды на своих мясистых плавниках, которые со временем превратятся в ноги. Как именно природа осуществила этот переход на генетическом уровне, оставалось предметом активных исследований.
Ответ кроется в генетике. Точнее, в том, как гены управляются. Ученые давно знали, что за формирование конечностей отвечают особые гены-архитекторы. Но недавнее исследование показало, что инструкция по сборке пальцев была «позаимствована» у совершенно другой, куда более древней части тела. И эта связь оказалась настолько странной, что изменила наши представления об эволюционной изобретательности.
Гены-архитекторы и их инструкции
Чтобы понять суть открытия, необходимо рассмотреть конкретные гены. Это гены семейства Hox. Их основная функция — определять базовый план строения тела животного в процессе его развития. Они задают клеткам эмбриона пространственные «координаты» по оси от головы до хвоста, гарантируя, что различные части тела формируются в правильных местах.
Сами по себе Hox-гены неактивны. Их работа требует точного управления. Это управление обеспечивают обширные участки ДНК, расположенные рядом с самими генами, но не кодирующие белки. Эти участки содержат множество регуляторных элементов, называемых энхансерами. Энхансер — это короткая последовательность ДНК, которая запускает активность определенного гена в определенной группе клеток и в определенное время. Совокупность таких энхансеров формирует сложный «регуляторный ландшафт».
У млекопитающих, включая человека, за развитие конечностей отвечает кластер генов HoxD. Его работа контролируется двумя такими регуляторными ландшафтами:
- Один активирует гены HoxD для формирования плеча и предплечья.
- Второй — включает гены, ответственные за развитие запястья и, что критически важно, пальцев.
Именно этот второй ландшафт, управляющий генами «пальцев», и стал объектом исследования.
Что, если у рыбы убрать «руководство по сборке пальцев»?
Здесь начинается самое интересное. У рыбки данио-рерио, популярного модельного организма, есть точно такая же регуляторная область ДНК. Но у данио-рерио нет и никогда не было пальцев.
Возник логичный вопрос: зачем рыбе генетическая инструкция, которой она, казалось бы, не пользуется? Возможно, она управляет развитием тонких косточек в ее плавниках?
Чтобы это проверить, ученые провели радикальный эксперимент. С помощью технологии CRISPR они просто вырезали этот участок ДНК из генома рыбок. Затем они стали наблюдать за развитием эмбрионов, ожидая увидеть деформированные или недоразвитые плавники.
Но плавники остались в полном порядке.
Это был совсем не тот результат, который ожидали. Вместо дефектов плавника ученые обнаружили проблему в совершенно другой части тела эмбриона.
Неожиданный поворот: всё дело в клоаке
У рыбок, лишенных «инструкции для пальцев», нарушилось формирование клоаки. Что такое клоака? Это единое отверстие, которое у большинства позвоночных (рыб, амфибий, рептилий, птиц) служит для вывода продуктов пищеварительной, выделительной и половой систем. Это очень древняя структура, появившаяся за сотни миллионов лет до пальцев.
Оказалось, что у рыб эта регуляторная область ДНК целиком и полностью занята управлением генами Hox при формировании клоаки. К плавникам она не имела почти никакого отношения.
Ученые сразу провели параллель с млекопитающими. Хотя у нас нет клоаки во взрослом состоянии (в ходе эмбрионального развития она разделяется на отдельные системы), та же самая регуляторная ДНК у мышей активна не только в развивающихся пальцах, но и в области мочеполовой системы — прямом наследнике эмбриональной клоаки.
Фрагменты сложились в единую картину.
Эволюционное «заимствование»: как старый механизм получил новую работу
Теперь мы можем восстановить ход событий.
- Древняя основа. Сотни миллионов лет назад у наших общих с рыбами предков существовал генетический механизм, управляемый определенной областью ДНК. Его единственной задачей было корректно сформировать клоаку.
- Появление новой задачи. Когда предки четвероногих начали осваивать сушу, перед эволюцией встала новая амбициозная задача: создать из плавника сложную структуру с подвижными пальцами для опоры и передвижения.
- Экономное решение. Вместо того чтобы создавать совершенно новую систему управления для генов Hox в конечностях, эволюция пошла по пути наименьшего сопротивления. Она «скопировала» и применила уже существующий, отлаженный и надежный механизм, который находился рядом — механизм управления развитием клоаки.
Этот процесс называется кооптацией — приспособлением существующей структуры или гена для выполнения новой функции. Но в данном случае эволюция кооптировала не один ген и не один энхансер. Она позаимствовала целый регуляторный ландшафт — всю панель управления целиком.
Это объясняет, почему сегодня у млекопитающих один и тот же участок ДНК отвечает за две, казалось бы, никак не связанные части тела. Это не ошибка. Это эхо древнего эволюционного события, элегантного и экономного решения, которое позволило нашим предкам обрести пальцы и в итоге выйти на сушу.
