Ученые из лаборатории Нила Шубина смогли найти у рыбы прототип генетического механизма, ответственного за формирование кисти как у современных четвероногих. О проделанной работе они написали в журнал PNAS.
400 миллионов лет назад в море плавали рыбы, шевеля плавниками, а на суше еще не бегало никаких позвоночных на четырех ногах. Самые древние, полностью сформировавшиеся четвероногие амфибии найдены в отложениях, которым 365 миллионов лет. Среди доживших до сегодняшнего дня видов переходные формы между рыбами и тетраподами отсутствуют, ископаемые переходные формы также долго не удавалось найти. Первая такая переходная форма была найдена в 2004 году на острове Элсмир, находящемся у западной оконечности Гренландии. Скелет был найден в отложениях возрастом 375 миллионов лет, в то время остров был прибрежным регионом древнего материка и находился примерно на экваторе. Выбрать название для ископаемого вида попросили местный Совет старейшин, и ископаемое существо назвали тиктаалик («налим» на языке инуктитут).
После этого были найдены и другие переходные формы, и теперь с морфологической точки зрения более-менее понятно, как происходила адаптация к хождению по суше. В главе «Переходные формы» из книги Александра Маркова и Елены Неймарк «Эволюция. Классические идеи в свете новых открытий», в разделе «Вперед, в воздушный космос», можно почитать об ископаемых переходных формах между рыбами и рептилиями и о современных взглядах на то, как все происходило.
Ископаемые формы, однако, дают представление только о морфологических изменениях. В некоторых случаях можно пытаться выделить ДНК и пытаться оценить генетические изменения, но на сегодняшний день считается (и тут едва ли может что-то улучшиться), что даже в идеальных условиях вечной мерзлоты ДНК не хранится дольше 1 миллиона лет. То есть можно прочитать геном мамонта или неандертальца, довольно легко восстановить геном возбудителя гриппа «испанки» или бактерий, вызывавших средневековые эпидемии чумы, но ничего нельзя поделать с рыбьим скелетом, которому больше 300 миллионов лет. Еще труднее восстановить картину эпигенетической регуляции. Ее удалось восстановить для ДНК неандертальцев и денисовского человека. Оказалось, что паттерн метилирования (присоединение метильных групп к ДНК снижает активность данного участка) древних и современных людей отличался, в частности, в генах HoxD, управляющих развитием конечностей, о которых сегодня еще пойдет речь.
Поэтому если мы хотим понять, какие процессы на молекулярно-генетическом уровне соответствовали выходу позвоночных на сушу, нужно изучать виды, дожившие до наших дней.
Авторы статьи задались вопросом о происхождении максимально удаленных от тела частей конечностей – кисти и стопы. Планы строения кисти и стопы очень похожи: с ближней к телу стороны находятся мелкие кости запястья (у кисти) и предплюсны (у стопы), дальше по пять вытянутых костей пясти и плюсны и фаланги пальцев. Никакого сходства с ныне живущими рыбами не отмечается (есть, правда, с ископаемыми промежуточными формами). Что-то похожее, да и то отдаленно, есть только у лучеперых рыб. В скелете их плавников ближе к телу находятся более длинные кости, а ближе к концу они ветвятся на более мелкие. Авторы статьи решили подробнее исследовать вопрос, есть ли у рыб что-нибудь похожее на кости стоп и кистей четвероногих позвоночных.
Молекулярные механизмы формирования конечности отлично изучены у мышей. Развитием конечностей (и всей геометрии тела) управляют гомеозисные гены, кластеры HoxA и HoxD. Каждый из кластеров состоит примерно из десятка генов, они записаны в ДНК подряд и кодируют белки – транскрипционные факторы, которые уже непосредственно управляют развитием. У активности этих генов в процессе развития конечности две фазы. Во время первой фазы более активны гены в «левой» части цепочки, а гены в «правой» части активны только в некоторых клетках. Эта фаза связана с формированием плеча и предплечья (бедра и голени). Во время второй фазы наоборот активизируются ранее неактивные гены, и она-то как раз связана с формированием кисти и стопы. Первой и второй фазой управляют регуляторные элементы – энхансеры, находящиеся как раз «слева» и «справа» от кодирующей последовательности. В начале соответствующей фазы происходит эпигенетическая активация соответствующего энхансера.
Гомеозисные гены высококонсервативны и есть у многих видов. Некоторое сходство есть даже между гомеозисными генами человека и дрозофилы, не смотря на очень разный план строения тела. Тем более, сами гены у мышей и рыб очень похожи, разница в основном в принципах регуляции. Авторы занялись поиском у рыб аналогичных регуляторных механизмов.
Раньше они уже искали следы этих механизмов у Danio rerio – популярной аквариумной рыбки и не менее популярной модели для биологов развития. Не смотря на то, что сходные эпигенетические события происходили, энхансерные области, пересаженные мышам, не смогли активировать гены во время формирования конечности у мышей.
В этот раз решено было повторить поиск, но уже у пятнистой панцирной щуки (Lepisosteus oculatus), чей геном был недавно просеквенирован. Эволюционно пятнистая панцирная щука отделилась от других костистых рыб до того, как у большинства из них произошли масштабные изменения в геноме. В какой-то момент у части костистых рыб произошло полное удвоение генома, что могло сильно повлиять на механизмы регуляции отдельных генов.
Оказалось, что энхансерные последовательности L. оculatus вполне справились с экспрессией генов в конечностях мышей на положенных этапах развития, подтвердив тем самым наличие у рыб механизмов, необходимых для развития конечности у наземных позвоночных.
