09.07.2010

Новооткрытые рыбьи гены помогли понять, почему первые четвероногие были многопалыми

Международная команда исследователей обнаружила неизвестное ранее семейство генов, необходимых для развития плавников у рыб и получивших название actinodin (and). У наземных позвоночных гены and отсутствуют. По-видимому, они были утрачены на ранних этапах эволюции четвероногих. Отключение генов and у рыб ведет к изменениям в работе ряда ключевых генов-регуляторов, которые есть не только у рыб, но и у четвероногих и от которых зависит передне-задняя полярность зачатка конечности (будь то плавник или нога). Похожие изменения в работе этих генов-регуляторов у четвероногих, возникающие в результате некоторых мутаций, приводят к полидактилии (многопалости). Возможно, утрата генов and древнейшими четвероногими создала предпосылки для развития у них большого числа (до 8) почти одинаковых пальцев. В дальнейшем у четвероногих восстановился исходный, «нормальный» характер работы генов-регуляторов, причем теперь их работа уже не зависела от утраченных генов and. Результатом этого могло стать сокращение числа пальцев до пяти.

Ранние этапы формирования парных плавников рыб и ног наземных позвоночных (четвероногих, или тетрапод) очень похожи и регулируются одними и теми же генами. Различия появляются на более поздних этапах эмбрионального развития. Одно из этих различий связано с судьбой апикального эктодермального гребня (apical ectodermal ridge, AER) — полоски эпителия, окаймляющей зачаток конечности. У тетрапод AER исчезает после образования зачатков костей, а у рыб он растет и превращается в плавниковую складку. В этой складке формируются актинотрихии — тонкие белковые нити, придающие зачатку плавника форму и упругость. Вдоль этих нитей внутрь плавниковой складки мигрируют клетки мезенхимы, из которых затем образуются лепидотрихии (прочные плавниковые лучи, которые могут окостеневать).

Вещество, из которого состоят актинотрихии, называют «эластоидином». По своим физическим свойствам эластоидин представляет собой нечто среднее между коллагеном и эластином. Было известно, что эластоидин — это смесь коллагена и каких-то других белков, но каких именно — до сих пор оставалось загадкой.

Биологам из Канады, Великобритании, Сингапура и Германии удалось идентифицировать еще два белковых компонента эластоидина, а также два гена, которые их кодируют. Гены получили название actinodin (сокращенно and) 1 и 2.

Исследование проводилось на эмбрионах рыбки данио рерио. Ее геном прочтен, поэтому нуклеотидные последовательности генов and1 и and2 уже были известны, но никто не знал, зачем эти гены нужны.

Оказалось, что в ходе развития эмбриона гены and1 и and2 включаются как раз там, где начинают формироваться актинотрихии. В хвостовой плавниковой складке, которая окаймляет заднюю часть эмбриона, работа генов actinodin стартует через сутки после оплодотворения, а в зачатках грудных плавников — примерно на 12 часов позже. Актинотрихии становятся заметны в развивающихся плавниках вскоре после включения генов actinodin. У взрослых рыб гены actinodin также участвуют в регенерации отрезанных плавников. При помощи антител к белковым продуктам генов actinodin (белкам And1 и And2) авторы показали, что эти белки действительно входят в состав актинотрихий.

Порывшись в генетических базах данных, авторы обнаружили, что гены actinodin, по-видимому, есть у всех рыб — как костных, так и хрящевых, но напрочь отсутствуют у четвероногих. Иными словами, у всех позвоночных, имеющих актинотрихии, есть также и гены actinodin, а у кого нет актинотрихий, у того нет и этих генов. Скорее всего, это означает, что утрата генов actinodin произошла на самых ранних этапах эволюции тетрапод и была непосредственно связана с утратой актинотрихий.

Действительно ли потеря генов actinodin может приводить к утрате актинотрихий? Чтобы убедиться в этом, авторы провели серию опытов, в которых гены and1 и and2 отключались (по одному или оба сразу) при помощи инъекции специальных молекул, блокирующих работу гена (см. Морфолино). Отключение каждого из генов по отдельности не привело к серьезным нарушениям развития плавников, однако при одновременном отключении обоих генов актинотрихии в плавниках не сформировались (рис. 2). При этом и сами зачатки плавников, особенно грудных, развивались хуже, чем у контрольных эмбрионов. В частности, отключение генов привело к нарушению миграции в плавниковую складку клеток мезенхимы, из которых должны сформироваться лепидотрихии (плавниковые лучи). В зачатках грудных плавников клетки мезенхимы, по-видимому, вообще не могут проникнуть в плавниковую складку, если оба гена actinodin отключены и актинотрихии не сформированы. В хвостовом плавнике данный эффект менее силен, поэтому лепидотрихии могут там сформироваться даже при отключенных генах actinodin.

Это позволяет предположить, что потеря генов actinodin древними четвероногими могла привести к мгновенной утрате лепидотрихий в парных конечностях, однако в хвостовом плавнике лепидотрихии могли сохраниться. Именно так и обстоит дело у древнейших четвероногих, обнаруженных в ископаемой летописи, таких как акантостега и ихтиостега. У этих животных уже не было плавниковых лучей на парных конечностях, но они еще сохранялись в плавниковой складке, окаймлявшей хвост. У более ранних переходных форм, таких как тиктаалик, плавниковые лучи на парных конечностях имелись (рис. 3).

Самые важные результаты были получены в ходе изучения того влияния, которое оказывают гены actinodin на работу других генов, управляющих развитием конечностей. Оказалось, что отключение генов actinodin вызывает целый каскад изменений в работе ключевых генов-регуляторов.

Во-первых, у эмбрионов с выключенными генами actinodin в зачатках грудных плавников оказалась понижена активность гена fgf8a, который кодирует «фактор роста фибробластов», необходимый для роста конечности. Ген fgf8a активирует два других гена — erm и pea3. Как и следовало ожидать, активность этих двух генов тоже оказалась пониженной у эмбрионов с отключенными генами actinodin.

Высокая активность генов erm и pea3 необходима для правильной работы двух ключевых генов-регуляторов, определяющих передне-заднюю полярность конечности: hoxd13a (одного из Hox-генов) и shha (sonic hedgehog). Эти гены в норме должны работать только у заднего края зачатка конечности, так чтобы концентрация кодируемых ими белков постепенно росла спереди назад. Именно этот градиент концентрации регуляторных молекул у четвероногих задает идентичность пальцев: мизинец формируется там, где концентрация белкового продукта гена sonic hedgehog максимальна, а большой палец — там, где она минимальна.

У эмбрионов с отключенными генами actinodin области экспрессии генов hoxd13a и shha в зачатках плавников оказались расширены в переднем направлении (рис. 4). Непосредственной причиной этого может быть пониженная активность генов erm и pea3, о которых говорилось выше, а также резко ослабленная работа еще одного гена — gli3. Последний ген интересен тем, что мутации в нём у четвероногих (например, мышей) могут приводить как раз к такому изменению экспрессии hoxd13a и shha, которое наблюдается у эмбрионов рыб с отключенными генами actinodin. Результатом таких изменений у четвероногих становится размывание передне-задней полярности конечности и, как следствие, «лишние» пальцы, похожие друг на друга.

Всё это позволяет предположить, что утрата генов actinodin первыми четвероногими могла не только избавить их от плавниковых лучей, ставшими ненужными, но и повлиять на эволюцию пальцев. Если у предковых рыб, давших начало четвероногим, система взаимодействий между регуляторными генами была примерно такой же, как у данио, то утрата генов actinodin должна была привести к расширению областей экспрессии hoxd13a и shha. Это создало предпосылки для формирования множества одинаковых пальцев, что мы и наблюдаем у восьмипалой актиностеги. Но в дальнейшем, очевидно, области экспрессии hoxd13a и shha «вернулись на место». Эти гены вышли из-под контроля утраченных генов actinodin и снова стали экспрессироваться только на задних краях зачатков конечностей, как это наблюдается у современных рыб и четвероногих. Это могло автоматически привести к сокращению числа пальцев и к их дифференцировке, что мы и наблюдаем у ископаемых тетрапод: у ихтиостеги было 6–7 пальцев, у тулерпетона – 6, а у их более поздних потомков осталось только 5.

Источник: Jing Zhang, Purva Wagh, Danielle Guay, Luis Sanchez-Pulido, Bhaja K. Padhi, Vladimir Korzh, Miguel A. Andrade-Navarro, Marie-Andre'e Akimenko. Loss of fish actinotrichia proteins and the fin-to-limb transition // Nature. Advance online publication 23 June 2010.

Александр Марков

Источники:

1. elementy.ru