Как генетические схемы для конечностей появились у рыб

Исследование под руководством Дени Дюбуля показывает, что конечности возникли в ходе эволюции путем модернизации уже существовавшей структуры ДНК.

Наш первый четвероногий наземный предок вышел из моря около 350 миллионов лет назад. Наблюдение за двоякодышащей рыбой, нашим ближайшим живым родственником среди рыб, ползающей на своих четырех заостренных плавниках, дает представление о том, как могли выглядеть первые эволюционные шаги на суше. Однако переходный путь между структурными элементами плавников у рыб и конечностей у тетрапод остается неясным.

И у рыб, и у наземных животных есть кластеры генов Hoxa и Hoxd, которые необходимы для формирования как плавников, так и конечностей во время эмбрионального развития. Команда Дени Дюбуля из Женевского университета и Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL), Швейцария, сравнила структуру и поведение этих кластеров генов у эмбрионов мышей и рыбок данио. Исследователи обнаружили сходную трехмерную организацию ДНК у кластеров рыб и мышей, что указывает на то, что основной генетический механизм, используемый для формирования конечностей тетрапод, уже присутствовал у рыб. Однако при вставке в эмбрионы трансгенных мышей рыбьи гены Hox были активны только в «руке» (плече/предплечье) мыши, но не в пальцах, показывая, что рыбья ДНК лишена важных генетических элементов для формирования пальцев. Исследование, опубликованное 21 января в журнале PLOS Biology с открытым доступом, приходит к выводу, что, хотя пальцевая часть конечностей впервые появилась у наземных животных, это произошло путем усложнения древней, уже существовавшей инфраструктуры ДНК у рыб.

Команда Дюбуля ранее показала, что во время развития млекопитающих гены Hoxd зависят от «бимодальной» трехмерной структуры ДНК, которая направляет развитие характерного подразделения конечностей на «руку» (плечо/предплечье) и «кисть» (ладонь/пальцы) — разделение, отсутствующее у рыбьих плавников.

«Чтобы определить, откуда во время эволюции взялась генетика этого разделения на «кисть» и «руку», мы решили внимательно сравнить генетические процессы, работающие как при развитии плавника, так и конечности», — говорит Йост Волтеринг, постдок факультета наук UNIGE и ведущий автор исследования. К удивлению, исследователи обнаружили сходную бимодальную трехмерную архитектуру хроматина в области гена Hoxd у эмбрионов рыбок данио. Эти данные указывают на то, что регуляторный механизм, используемый для формирования конечностей тетрапод, вероятно, предшествовал разделению рыб и тетрапод. «На самом деле это открытие стало большим сюрпризом, так как мы ожидали, что именно эта «бимодальная» конформация ДНК будет тем, что создаст всю разницу в генетике для создания конечностей или плавников», — добавляет Йост Волтеринг.

Означает ли это, что пальцы гомологичны дистальным структурам плавников у рыб? Чтобы ответить на этот вопрос, генетики вставили в эмбрионы мышей геномные области, которые регулируют экспрессию генов Hox в плавниках рыб. «К новому удивлению, регуляторные области рыб запускали экспрессию генов Hox преимущественно в «руке», а не в пальцах. В целом, это говорит о том, что наши пальцы эволюционировали во время перехода от плавника к конечности путем модернизации уже существовавшего регуляторного механизма», — объясняет Дени Дюбуль.

Исследователи приходят к выводу, что, хотя рыбы обладают регуляторным инструментарием Hox для создания пальцев, этот потенциал не используется так, как у тетрапод. Следовательно, они предполагают, что радиалии плавников — костные элементы плавников — не гомологичны пальцам тетрапод, хотя они частично полагаются на общую регуляторную стратегию.

Новые направления исследований — выяснить, что именно изменилось в элементах ДНК рыб по сравнению с тетраподами. «Сейчас мы знаем множество генетических переключателей у мыши, которые запускают экспрессию Hox в пальцах. Ключевой задачей является выяснить, как именно работают эти процессы сегодня, чтобы понять, что привело к появлению пальцев и способствовало колонизации наземной среды», — заключает Дюбуль.