Ключевое генетическое событие в эволюции плавников в конечности

Исследование кошачьих акул показывает, как изменения в экспрессии и функции определённых генов в зачатках конечностей лежат в основе эволюции рыбьих плавников в конечности. Результаты, опубликованные в журнале eLife, дают новое представление о том, как рыбы эволюционировали для жизни на суше в форме ранних тетрапод.

Первые четвероногие наземные существа — ранние тетраподы — эволюционировали из рыб после трансформации плавников в конечности. Эта эволюция — ключевой, но до сих пор не решённый пример того, как морфологические изменения могут радикально изменить жизнь на Земле.

Передние конечности тетрапод эволюционировали из грудных плавников рыбьих предков. У кошачьих акул грудные плавники содержат три базальных кости, как и у предковых рыб. Команда исследовала развитие плавников у акул и обнаружила сдвиг в балансе переднего (со стороны большого пальца) и заднего (со стороны мизинца) полей в их зачатках плавников по сравнению с зачатками конечностей мыши.

Ключевой регуляторный белок, контролирующий баланс переднего и заднего полей в зачатках конечностей тетрапод, — Gli3. Он экспрессируется в передней части зачатков и регулирует экспрессию генов, предоставляющих клеткам информацию об их положении вдоль передне-задней оси.

Сравнивая экспрессию, функцию и регуляцию генов, участвующих в передне-заднем паттернировании, у эмбрионов кошачьих акул и мышей, учёные обнаружили:

• В грудных плавниках эмбрионов акул экспрессия Gli3 была усилена в задней части, а баланс полей смещён. Это указывает на произошедший в ходе эволюции тетрапод крупный генетический сдвиг (постериоризацию).
• Геном акулы лишён последовательности, присутствующей у мышей и других тетрапод, которая отвечает за предотвращение экспрессии Gli3 в задней части их зачатков конечностей.
• При экспериментальной «постериоризации» зачатков грудных плавников акул плавники теряли передние скелетные элементы и демонстрировали единственную кость, соединённую с плечевым поясом, как у ископаемого Tiktaalik.

Эти результаты позволяют предположить, что одним из ключевых генетических событий в эволюции «плавник-конечность» был сдвиг баланса переднего и заднего полей («постериоризация») и утрата передних скелетных элементов.