Исследователи раскрыли генетические драйверы быстрого развития черепно-лицевой области у сумчатых

Учёные обнаружили генетические элементы, управляющие ускоренным развитием черт лица у сумчатых млекопитающих.

Исследование на жирнохвостых сумчатых мышах (dunnart), обитающих в Австралии, опубликовано в журнале eLife. Редакторы описывают его как важную работу с убедительными данными, включая новую сборку генома dunnart, которая, по их словам, станет «бесценным ориентиром» для будущих исследований эволюции млекопитающих.

Сумчатые и плацентарные млекопитающие значительно различаются по репродукции и росту. Сумчатые рождаются сильно недоразвитыми после короткого периода гестации и завершают развитие в материнской сумке, тогда как плод плацентарных развивается полностью в матке. По сравнению с плацентарными, у сумчатых наблюдается ускоренное развитие орофациальной области (рта и лица) относительно центральной нервной системы, что отражает функциональные потребности после рождения.

Предполагалось, что цис-регуляторные элементы — участки ДНК, регулирующие экспрессию соседних генов — играют значительную роль в различиях в развитии лица у млекопитающих. Однако ранее не было исследований, пытавшихся сравнить общий ландшафт регуляции генов у сумчатых и плацентарных на одной и той же стадии развития.

«Такие исследования могут дать функциональное понимание того, как регуляторные элементы в геноме контролируют краниофациальное развитие у млекопитающих и, как следствие, эволюционные изменения, которые привели к разным моделям роста у сумчатых и плацентарных», — объясняет первый автор Лаура Кук.

«Ранее описав ускоренное орофациальное развитие у жирнохвостой сумчатой мыши (с гестацией всего 13 дней), мы хотели увидеть, как регуляция генов, управляющих ранним развитием лица у сумчатых, отличается от таковой у плацентарных млекопитающих, например, мыши».

Для этого команда использовала два метода секвенирования — ChIP-секвенирование (ChIP-seq) и РНК-секвенирование (RNA-seq) — на краниофациальной ткани новорождённых детёнышей dunnart из сумки. Ткань была собрана из фронтоназальной области (лоб и нос), а также из мандибулярных (нижняя челюсть) и максиллярных (верхняя челюсть, верхняя губа и щёки) выступов.

Применение этих методов позволило команде детально охарактеризовать хроматиновые метки — химические модификации ДНК, регулирующие экспрессию генов — во время раннего краниофациального развития dunnart. Затем они изучили сходства и различия в двух хроматиновых модификациях, связанных с цис-регуляторными элементами (H3K4me3 и H3K27ac), между dunnart и мышью, и включили сравнения экспрессии генов между видами.

Для сравнений использовались общедоступные данные ChIP-seq для H3K4me3 и H3K27ac, сгенерированные консорциумом mouse ENCODE и охватывающие несколько стадий развития.

Анализ показал, что гены, регулирующие развитие лица, в основном консервативны у мыши и dunnart, но их цис-регуляторные элементы значительно различаются. В частности, были обнаружены специфичные для dunnart регуляторные элементы рядом с высокоэкспрессируемыми генами, которые у мыши либо слабо экспрессируются, либо не экспрессируются вовсе. Эти гены связаны с тремя основными процессами развития: развитие кожи/эпидермиса, развитие и сокращение мышц и развитие сенсорной системы.

«Повторяемость генов, связанных с развитием сенсорных систем dunnart, подчёркивает уникальный аспект ранней жизни в сумке — задачу добраться до неё, — говорит соавтор Ирэн Гальего Ромеро. — Новорождённым сумчатым необходимо, чтобы их сенсорные системы, особенно обоняние, были высоко развиты — и быстро — чтобы они могли следовать сигналам, ведущим к материнской сумке, где завершат развитие».

«Вместе данные наших экспериментов предполагают, что ускоренное краниофациальное развитие у dunnart может управляться активностью энхансеров, которые эволюционировали специально для поддержки их постнатального выживания. Эта работа демонстрирует силу сравнительной геномики сумчатых и плацентарных для понимания роли энхансеров в формировании разных стратегий роста у видов», — добавляет профессор Эндрю Паск.

Ограничением исследования является отсутствие нескольких постнатальных стадий развития dunnart из-за ограниченной доступности детёнышей из сумки. Авторы надеются расширить работу на большее количество стадий развития в будущих исследованиях. «Мы также планируем применить одноклеточные мультимодальные технологии к тканям dunnart, чтобы исследовать специфические регуляторные различия между развитием их центральной нервной системы и орофациальной области», — заключает Паск.