Генетики: ошибки «копипаста» генов привели к полету насекомых, маскировке осьминогов и сознанию человека
Семьсот миллионов лет назад впервые появилось замечательное существо: у него были передняя и задняя часть, верх и низ. В то время это была новаторская адаптация, заложившая базовый план тела, который в конечном итоге унаследовали самые сложные животные, включая человека. Неприметное животное обитало в древних морях Земли, вероятно, ползая по морскому дну. Это был последний общий предок билатерий, обширной супергруппы животных, включающей позвоночных (рыб, амфибий, рептилий, птиц и млекопитающих) и беспозвоночных (насекомых, членистоногих, моллюсков, червей, иглокожих и многих других).
Генетики проследили изменения более 7000 групп генов можно проследить до последнего общего предка билатерий, согласно исследованию 20 различных видов, включая людей, акул, поденок, многоножек, осьминогов и др. Результаты представлены исследователями из Центра геномной регуляции (Испания) в журнале Nature Ecology & Evolution.
Примечательно, что исследование показало: около половины этих генов с тех пор были перепрофилированы животными для использования в определенных частях тела, особенно в мозге и репродуктивных тканях. Результаты удивительны, поскольку древние, консервативные гены обычно выполняют фундаментальные и важные функции, необходимые во многих частях тела.
Когда исследователи присмотрелись поближе, обнаружили, что виновата серия случайных ошибок «копипаста». Например, в начале истории позвоночных был важный момент: впервые появился набор тканеспецифичных генов, совпавший с двумя событиями удвоения целого генома. Животные смогли сохранить одну копию для выполнения фундаментальных функций, а вторую копию можно было использовать в качестве сырья для эволюционных инноваций. Подобные события разного масштаба постоянно происходили на протяжении всей эволюции.
«Наши гены подобны обширной библиотеке рецептов, которые можно готовить по-разному, создавая или изменяя ткани и органы. Представьте, что вы случайно получили две копии рецепта паэльи. Вы можете сохранить и наслаждаться оригинальным рецептом, пока эволюция меняет копию, чтобы вместо нее готовилось ризотто. Теперь представьте, что вся книга рецептов скопирована — какие возможности это открывает для эволюции. Наследие этих событий, произошедших сотни миллионов лет назад, сегодня живет в большинстве сложных животных», — объясняет Федерика Мантика, первый автор статьи.
Авторы исследования обнаружили множество примеров новых функций, ставших возможными благодаря специализации этих предковых генов. Например, гены TESMIN и tomb, произошедшие от одного и того же предка, в конечном итоге независимо сыграли большую роль в семенниках как у позвоночных, так и у насекомых. Их важность подчеркивается тем фактом, что проблемы с этими генами могут нарушить выработку спермы, влияя на фертильность как у мышей, так и у плодовых мушек.
Специализация наследственных генов также заложила некоторые основы для развития сложных нервных систем. Например, у позвоночных исследователи обнаружили гены, имеющие решающее значение для формирования миелиновых оболочек вокруг нервных клеток, которые необходимы для быстрой передачи нервных сигналов. У людей также выявили FGF17, который, как полагают, играет важную роль в поддержании когнитивных функций в пожилом возрасте. У насекомых определенные гены стали специализироваться в мышцах и эпидермисе для формирования кутикулы, что способствовало их способности летать. В коже осьминогов другие гены стали специализироваться на восприятии световых раздражителей, что способствует их способности менять цвет, маскировать и общаться с другими осьминогами.
Другими словами, когда гены начинают действовать в определенных тканях, это может привести к развитию новых физических качеств или способностей, что в конечном итоге способствует эволюции животных.
«Наша работа заставляет нас переосмыслить роли и функции, которые играют гены. Она показывает нам, что гены, которые имеют решающее значение для выживания и сохранялись на протяжении миллионов лет, также могут очень легко приобретать новые функции в ходе эволюции. Это отражает эволюционный баланс между сохранением жизненно важных ролей и исследованием новых путей», — заключает профессор-исследователь Мануэль Иримия, соавтор статьи.
