Эволюция создала наши пальцы из рыбьей клоаки, установили генетики

Как возникли пальцы? Хотя очевидно, что в основе их развития лежат генетические программы, существовавшие уже у рыб, точное происхождение оставалось предметом дискуссий. Наконец, в них поставлена точка. И довольно неожиданная: оказалось, что гены, отвечающие за пальцы, у рыб управляли формированием клоаки.

Когда 380 миллионов лет назад рыбы начали осваивать сушу, они положили начало эволюции огромного числа позвоночных. Кажется логичным, что в этом процессе жабры превратились в легкие, а плавники стали конечностями — руками и ногами. Тем не менее, четкой уверенности в этом у ученых не было.

Теперь они исследовали не только гены, участвующие в развитии самих пальцев, но и обширные некодирующие участки генома, которые управляют их экспрессией и активацией — регуляторные ландшафты. Результаты исследования напечатаны в журнале Nature.

Сравнив геномы мышей и рыб, исследователи сначала идентифицировали совпадающий у них регуляторный ландшафт. Затем вырезали этот большой участок ДНК у рыб генетическими ножницами CRISPR/Cas9, ожидая аномалии развития плавников. Вместо этого полностью исчезла экспрессия связанного с клоакой гена hoxd13a.

Этот неожиданный результат позволяет предположить, что клоака — орган, в котором встречаются кишечная, выделительная и репродуктивная системы у многих видов, — была повторно использована у наземных позвоночных для развития пальцев.

«Общая черта клоаки и пальцев заключается в том, что они представляют собой конечные части. Иногда это конец трубок пищеварительной системы, иногда конец ступней и кистей, то есть пальцы. Таким образом, и то, и другое маркирует конец чего-либо», — объясняет молекулярный биолог Орели Хинтерманн из Института Стоуэрса в США, для которой это исследование стало частью докторской диссертации в Женевском университете.

Рассмотренные в работе регуляторные ландшафты 3DOM и 5DOM контролируют активацию генов Hox, известных как «архитекторы тела». Они строят план организации тела, определяя положение и идентичность сегментов или органов. Они действуют на вершине сложной сети тысяч операционных генов, контролируя их экспрессию. Поэтому мутация в этих генах может привести к глубоким анатомическим изменениям, что, несомненно, объясняет их решающую роль в эволюции.

«То, что эти гены задействованы — еще один яркий пример, как эволюция создает новое, переделывая старое. Вместо того чтобы строить новую регуляторную систему для пальцев, природа перепрофилировала существующий механизм, изначально активный в образовании клоаки», — резюмирует профессор Дени Дюбуль из Женевского университета, инициатор исследования.

Таким образом, эволюционируют не только операционные или кодирующие гены, но и, прежде всего, архитектура их регуляции. Иногда целый участок может быть задействован повторно с другими целями — как в случае с клоакой и пальцами. Дальнейшие исследования будут сосредоточены не на том, где в геноме возникают эти изменения, а на том, как именно они происходят. Понимание этого механизма необходимо для описания движущих сил эволюции и объяснения пути от далекого водного предка до современных рыб и человека.