Чешуя или перья? Всё сводится к нескольким генам

Чешуя, шипы, перья и волосы — это примеры кожных придатков позвоночных, которые представляют собой удивительно разнообразную группу микро-органов. Несмотря на их естественное множество форм, эти придатки имеют общие ранние процессы развития на эмбриональной стадии. Два исследователя из Женевского университета (UNIGE) обнаружили, как навсегда превратить чешую, которая в норме покрывает лапы цыплят, в перья, специфически изменяя экспрессию определённых генов.

Эти результаты, опубликованные в журнале Science Advances, открывают новые перспективы для изучения механизмов, позволивших радикальные эволюционные переходы в форме среди видов.

Общий предок

Лаборатория Мишеля Милинковича, профессора кафедры генетики и эволюции факультета естественных наук UNIGE, изучает физические и биологические процессы, генерирующие разнообразие кожных придатков у позвоночных. В частности, его группа ранее продемонстрировала, что волосы, перья и чешуя являются гомологичными структурами, унаследованными от общего рептильного предка.

Перья эмбриона курицы используются учёными в качестве модельной системы для понимания развития кожных придатков. Хотя известно, что некоторые породы кур, такие как «Брама» и «Саблпут», имеют оперённые ноги и тыльную сторону лап, генетический детерминизм этого признака до конца не изучен.

Временная модификация для постоянного изменения

Поскольку сигнальные пути, ответственные за эту трансформацию, не были полностью определены, группа Мишеля Милинковича исследовала потенциальную роль пути Sonic hedgehog (Shh). Этот ген контролирует сигнальный путь — систему коммуникации, позволяющую передавать сообщения внутри и между клетками.

«Мы использовали классическую технику "просвечивания яиц", при которой мощный фонарь освещает кровеносные сосуды на внутренней стороне скорлупы. Это позволило нам точно обработать эмбрионы цыплят молекулой, специфически активирующей путь Shh, введённой непосредственно в кровоток», — объясняет Рори Купер, постдокторант лаборатории Мишеля Милинковича и соавтор исследования.

Учёные наблюдали, что этого единичного стадийно-специфичного лечения достаточно, чтобы вызвать образование обильного пухового оперения ювенильного типа в областях, которые в норме были бы покрыты чешуёй. Примечательно, что эти экспериментально индуцированные перья сопоставимы с теми, что покрывают остальную часть тела, поскольку они регенерируют и впоследствии автономно заменяются взрослыми перьями.

После сравнения с эмбрионами, инъецированными «контрольным» раствором (без активной молекулы), анализ РНК-секвенирования показал, что путь Shh активируется как немедленно, так и устойчиво после инъекции молекулы. Это подтверждает, что активация пути Shh лежит в основе превращения чешуи в перья.

«Наши результаты указывают, что эволюционный скачок — от чешуи к перьям — не требует больших изменений в составе или экспрессии генома. Вместо этого временное изменение экспрессии одного гена, Shh, может вызвать каскад событий развития, приводящих к формированию перьев вместо чешуи», — говорит Мишель Милинкович. Это исследование, изначально сфокусированное на изучении развития чешуи и перьев, имеет важное значение для понимания эволюционных механизмов, генерирующих огромное разнообразие форм животных в природе.