Один ген определяет, будет ли у мухи хорошее зрение или хорошее обоняние

Компромиссы в размерах зрительных и обонятельных органов — распространённая черта эволюции животных, но лежащие в их основе генетические и механизмы развития оставались неясными. Исследование, опубликованное 22 августа в журнале Developmental Cell, показывает, что один вариант ДНК, влияющий на сроки развития сенсорных органов у плодовых мушек, может объяснять компромисс в размерах между глазами и антеннами, потенциально обеспечивая быстрый путь к поведенческим изменениям и адаптации.

Поскольку затронутый ген, eyeless/Pax6, консервативен у беспозвоночных и позвоночных, включая человека, это открытие может представлять общий механизм компромиссов в размерах сенсорных органов во всём животном царстве.

Чтобы изучить лежащие в основе механизмы, авторы совместили сравнительный анализ разных линий и видов плодовых мушек с подходами в области развития, молекулярной биологии и редактирования генома. В частности, они сосредоточились на структуре, называемой имагинальным диском глаза-антенны (EAD), который состоит из глазного поля и неглазного поля и даёт начало всем внешним головным сенсорным органам в ходе развития мушки.

Исследователи обнаружили, что глазное поле пропорционально больше у Drosophila pseudoobscura (D. pse.) по сравнению с Drosophila melanogaster (D. mel.), что соответствует увеличению на 35% в количестве омматидиев — мелких единиц, из которых состоит фасеточный глаз насекомого. Аналогично, глазное поле пропорционально больше у линии D. mel. под названием Canton-S по сравнению с линией D. mel. Hikone-AS, что соответствует увеличению числа омматидиев на 12.5%.

В поисках генетических причин вариаций размера глаза учёные исследовали последовательности ДНК, с которыми связываются факторы транскрипции для регуляции экспрессии соседнего гена eyeless/Pax6. Они обнаружили, что один нуклеотидный вариант — замена G>A — в сайте связывания отличает подвид с маленькими глазами от подвида с большими глазами. Предполагается, что G-аллель у подвида с маленькими глазами имеет более высокое сродство к сайту связывания, что приводит к большему подавлению экспрессии гена eyeless/Pax6 по сравнению с A-аллелью у подвида с большими глазами.

Дополнительные анализы показали, что этот вариант встречается в природных популяциях плодовых мушек, и A-аллель соответствует как большему числу омматидиев, так и меньшей ширине антенн у разных лабораторных линий. Используя CRISPR/Cas9 для внедрения A-аллели в G-гомозиготную линию, исследователи продемонстрировали, что замена G>A вызывает увеличение количества омматидиев.

«Мы были удивлены простотой механизма сенсорного компромисса, который мы обнаружили: чтобы варьировать размер сенсорного органа — в данном случае, глаза по сравнению с антеннами — достаточно слегка изменить экспрессию одного гена», — говорит первый автор Ариан Рамакерс. — «Особенно удовлетворительно было обнаружить, что этот ген, называемый Pax6, — тот самый, который строит глаз у всех животных, включая человека. Мы также были удивлены, что для создания компромисса важно изменить когда, а не где, в итоге экспрессируется Pax6».

Для авторов результаты поднимают несколько интригующих вопросов. Например, пока не ясно, как именно однонуклеотидный вариант меняет сроки экспрессии Pax6 и развития сенсорных органов. Более того, возможно, что контроль за сроками экспрессии ключевых генов развития может быть общим правилом для изменения размера ткани или органа.