Новые исследования открывают для нас древнюю генетическую «грамматику», лежащую в основе всей ветвистой эволюции рыбных плавников и конечностей четвероногих.
Уходя от хищников, плавающих у поверхности океана, летучая рыба может выстреливать из воды и планировать, преодолевая большие расстояния, потому что её парные грудные и брюшные плавники, более длинные и жёсткие, чем у других рыб, функционируют как крылья. Демонстрируя хитроумное изобретение эволюции, существа, которые ранее были сугубо водными, оказались способными, слегка изменив форму плавников, становиться временными обитателями воздушного пространства.
Недавно группа исследователей во главе с Мэттью Харрисом (Matthew Harris) из Гарвардской медицинской школы (Harvard Medical School) и Бостонской детской больницы (Boston Children’s Hospital) сообщила о генетической основе появления этих необычных плавников: благодаря инновационной комбинации методов учёные обнаржили, что для возникновения формы тела, характерной для летучих рыб, достаточно изменений всего в двух генах. Стоило этим мутациям произойти у представителей одного из видов обычных аквариумных рыб — и их пропорции стали меняться в сторону телесной организации летучих рыб.
«Когда мы начинали своё исследование в рамках ЭБР [эволюционной биологии развития], у нас не было и мысли о том, что нам удастся таким простым способом так резко изменить формы рыбьего тела», — отмечает Харрис. Результаты данного исследования опубликованы в журнале Current Biology 22 ноября.
Сделанные командой Харриса открытия заслуживают внимания в той мере, в какой они свидетельствуют о способности не только «морфогенетических» химических, но и биоэлектрических сигналов регулировать в развивающихся тканях рост и форму плавников, а также, возможно, других структур. Вдобавок, это и более раннее исследование чётко иллюстрируют, как маленькие генетические изменения могут иногда вызывать большие, имеющие важное эволюционное значение морфологические сдвиги.
Непостижимое природное разнообразие форм животного мира возникло, главным образом, благодаря экспериментам естественного отбора с генетическими программами, которые контролируют развитие. Для создания новых приспособлений, позволяющих видам занимать новые ниши, природа манипулирует со временем и скоростью роста тканей, растягивая и сжимая телесные структуры или даже вставляя и удаляя кости. ЭБР, биологическое изучение этого процесса, имеет долгую историю, но только относительно недавно учёным удалось приступить к исследованию генов, ответственных за конкретные изменения.
Чтобы прояснить генетическую основу телесной организации летучих рыб, исследователи лаборатории Харриса взялись секвенировать и сравнивать геномы 35 видов летучих рыб и их ближайших родственников. Выявляя необычно стремительно изменившиеся регионы ДНК разных видов, учёные определили гены, которые, по-видимому, эволюционировали под давлением естественного отбора.
Этот сравнительный анализ позволил исследователям заняться выявлением основных факторов, управляющих формированием новых типов телесной организации, объяснил Джуст Уолтеринг (Joost Woltering), эволюционный биолог Университета Констанцы (Германия), который изучает эволюцию и развитие разнообразия плавников и конечностей. «Но как же узнать, что именно эти гены и впрямь — тот решающий дело дымящийся револьвер? Вы не можете изменять их в летучих рыбах, — говорит он. — Вам нужен материал, действительно позволяющий решить данную задачу».
Для команды Харриса таким материалом стали данио-рерио (Danio Rerio) — пресноводные рыбки, которые широко используются не только как аквариумные питомцы, но и как животные модели. Для создания случайных мутаций в более чем 10000 эмбрионах данио учёные применяли химические вещества и гамма-лучи, а после осматривали рыбок, доживших до зрелости, чтобы найти интересные фенотипы. Данный подход был необычным, потому что, как правило, учёные-генетики изучают лишь эмбриональное развитие этих животных.
Работавший в то время постдоком в лаборатории Харриса Джейкоб Даан (Jacob Daane) и его коллеги тщательно исследовали и коллекцию ранее известных мутантов данио-рерио с длинными плавниками, чтобы сделать более эффективным поиск генных мутаций, способных регулировать рост плавников летучих рыб. Внимание учёных привлекли два варианта: kcnh2a, мутация с суперэкспрессией генов калиевых каналов на внешней мембране клеток, и lat4a, мутация с потерей функции, которая лишает клетки способности транспортировать лейцин.
Исследователи установили, что у данио мутации с потерей функции транспортёра лейцина приводят к тому, что все плавники становятся короткими, тогда как мутации с суперэкспрессией генов калиевых каналов ведут к удлинению плавников. По отдельности обе мутации делают рыбье тело неуклюжим, но когда они выступают вместе, появляются рыбки с длинными парными грудными и короткими срединными плавниками, т. е. с телесной организацией летучих рыб.
«Одна-единственная точечная мутация в некоторых случаях способна сделать плавники прямо-таки огромными, — отметил Даан, недавно организовавший в Хьюстонском университете (University of Houston) собственную лабораторию. — Насколько мне известно, очень мало систем, в которых так просто, но при этом существенно меняются размеры какого-то органа».
Телесная организация летучих рыб неоднократно и случайным образом эволюционировала в различных линиях, но всякий раз она опиралась на одни и те же типы мутаций, влияющие на транспортировку лейцина и калиевые каналы. Мутации транспортёра лейцина в различных линиях не идентичны, однако вызывают изменение одной и той же аминокислоты, что позволяет предполагать осуществление линиями эволюции независимо друг от друга одного и того же генетического трюка по отношению к данной форме биологической активности. «В различных контекстах природа действует на один и тот же специфический ген», — говорит исследователь эволюционного развития рыб Сара Макменамин (Sarah McMenamin) из Бостонского колледжа (Boston College).
Как мутация калиевых каналов вызывает необычный рост плавников, всё ещё тайна. «Это не похоже на лиганд-рецепторное взаимодействие, при котором какие-то молекулы связываются с рецепторами внутри клеток, а затем путешествуют и запускают транскрипцию чего-либо», — считает Харрис. Скорее, суперэкспрессия калиевых каналов изменяет мембранный потенциал покоя и рН цитоплазмы, что делает клетку более активной и возбудимой. В результате плавниковые клетки начинают проявлять сигнальные функции, которые обычно ассоциируются с нейронами и стволовыми клетками. Возможно, что эти изменения в системе клеточной сигнализации ведут к изменению процесса роста плавников, предполагает Харрис, но пока это всего лишь гипотеза. «Всё это — новая, плодородная почва, и нам известно об этом очень мало», — подчёркивает учёный-исследователь.
Незначительное отличие летучих рыб
Ген белка-траспортёра у большинства рыб крайне консервативен, но у летучих рыб и ряда их родственников эволюция постоянно меняла одну из закодированных аминокислот на другую, что позволило предположить влияние данного гена на необычные пропорции плавников.
Предотвращая прохождение ионов калия между плавниковыми клетками — в сущности, сводя на нет мутацию калиевых каналов, — исследователи обнаружили, что при этом блокируется рост плавников. По-видимому, в ходе некоторых этапов развития плавниковые клетки представляют собой синцитий — единую цитоплазматическую массу со множеством плавающих в ней ядер. Если это так, то, полагает Харрис, ионы калия могут формировать во всём плавнике электрическое поле, создавая «больший потенциал для сигнальной координации широкого диапазона, чем типичный морфоген или секретируемый фактор». (Другие исследователи также наблюдали свидетельства того, что роль электрических полей в придании формы развивающимся тканям, возможно, недооценивается).
Данная работа дополняет более раннее замечательное открытие на тему эволюции конечностей, сделанное в лаборатории Харриса. О нём сообщалось в феврале 2021 года в журнале Cell. Брент Хокинс (Brent Hawkins), Катрин Хенке (Katrin Henke) и Харрис установили, что одна-единственная мутация способна привести в действие скрытый в плавниках данио-рерио потенциал возникновения паттернов конечностей, хотя предки этих рыбок около 450 миллионов лет назад отклонились от линий, которые позже привели к четвероногим. Помимо данных, полученных из лаборатории Харриса, в онлайн-версии Cell приведены и результаты исследований, проведённых в двух других лабораториях. Там, изучая геномы рано дивергировавших лучепёрых рыб и африканских двоякодышащих рыб, выдвинули гипотезу, что уже общий предок всех костных рыб обладал способностью эволюционировать в сторону четвероногих.
Грудные плавники данио обычно связаны с туловищем всего лишь одним рядом косточек, проксимальных радиалий, которые непосредственно сочленены с рыбьим плечевым поясом. Но у мутантных данио, полученных командой Харриса в ходе генетического исследования, возникло соединение проксимальных радиальных костей с двумя новыми «промежуточными радиальными». Исследователи даже обнаружили прикреплённые к новым костям мышцы.
«Таким образом, всего лишь одна мутация создаёт не только новый элемент костной ткани, но и совершенно новую структуру, которая хорошо интегрирована и хорошо вписывается в новый жизнеспособный паттерн», — отмечает Хокинс. Этот вид пережитка, или атавизм, корни которого возникли сотни миллионов лет назад, показывает, насколько древний и всеобщий характер имеет генетическая «грамматика», служащая для формирования плавников и конечностей.
«Что удалось показать лаборатории Харриса в данной работе, — так это то, что у современных лучепёрых рыб всё ещё есть генетический потенциал для такого рода дополнений эндоскелета и потенциал развития, позволяющий усложнять исходные структуры», — говорит Макменамин.
Из разных лабораторий продолжают приходить всё новые и новые данные, говорящие о том, что плавники и конечности развиваются на генетической основе чрезвычайно консервативных механизмов. В статье, опубликованной в ноябре в Proceedings of the National Academy of Sciences, утверждается, что выявлен ген, регулирующий как формирование пропорций конечностей четвероногих, так и контуры плавников. В том же месяце в Current Biology опубликованы результаты исследования, установившего, что удлинённые задние ноги тушканчиков — крошечных бипедальных грызунов, которые могут прыгать, скакать и бегать с удивительной скоростью, — результат работы гена, вызывающего непропорциональный рост костей конечностей, сходный с аллометрическим ростом плавников летучих рыб.
По мнению Маркуса Дэвиса (Marcus Davis), исследователя биологического развития из Университета Джеймса Мэдисона (James Madison University), накопление свидетельств о том, что развитие конечностей и плавников имеет общую генетическую основу, «действительно ведёт нас к научному ответу на самый интересный вопрос: где же, чёрт возьми, истоки исходной программы развития?» Программа развития плавников и конечностей, вероятно, является модификацией ещё более древней программы развития других частей тела. «Она должна была откуда-то появиться, и она не была рассчитана всего лишь на день, — говорит Дэвис. — Раз так, то какой другой аспект строительства тела был модифицирован со временем, чтобы появилась эта программа создания придатков?»
Тэцуя Накамура (Tetsuya Nakamura), эволюционный биолог из Университета Рутгерса, изучающий переход от рыб к четвероногим, подозревает, что генетическая программа создания парных плавников и конечностей сформировалась в ходе развития дорсальных и анальных плавников, которые гораздо древнее парных. У миног — бесчелюстных рыб, появившихся около полумиллиарда лет назад, — дорсальные и анальные плавники есть, а парных нет.
Однако, хотя существенно разные придатки и формы тела уходят корнями в одни и те же древние генетические сети, сдвиги между этими формами представляли собой важные этапы эволюции, подчёркивает Уолтеринг. «Конечности четвероногих были эволюционным новшеством — я уверен в этом», — сказал он. Следовательно, мы ещё очень мало узнали о том, что сделало возможными эти изменения.
Применяемый в лаборатории Харриса нетрадиционный подход, который Дэвис наградил эпитетами «атипичный» и «современный», а Макменамин приветствует как «творческий» и «прорывной», указывает тот путь, следуя которым ЭБР может найти ответы на многие вопросы. В ходе охоты на гены, регулирующие программы развития, исследователей, как правило, интересуют определённые «обычные подозреваемые», такие как инсулиновая сигнализация аллометрии и хокс-гены, отвечающие за формирование паттернов конечностей и плавников. Но команда Харриса, чтобы выявить рыб с интересными, подходящими фенотипами, взяла на вооружение более независимый подход, в рамках которого используются сравнительная геномика и масштабные генетические исследования. «Им нужно было с готовностью идти туда, куда вёл их этот фенотип», — говорит Макменамин.
«Когда наши вопросы об организмах правильные, мы получаем неожиданные результаты — такие, какие мы не ожидаем получить, проводя классические исследования на уровне популяций», — говорит Харрис.
