Шерсть, покрывающая тело — признак, который считается общим для всех млекопитающих. Однако недаром человека называют «голой обезьяной»: когда-то наши предки потеряли большую часть волос. И мы тут не являемся исключением: полагают, что в процессе эволюции разные млекопитающие независимо утрачивали шерсть как минимум девять раз. Почти безволосы многие морские звери, включая китов, дельфинов, ламантинов, дюгоней и моржей. Редкой шерстью отличаются и крупные наземные млекопитающие — слоны, носороги, бегемоты, у которых потеря волос, вероятно, способствовала усилению теплоотдачи. Почему шерсть исчезла у людей — хороший вопрос, которому посвящена половина моей книги «Странная обезьяна». К редковолосым зверям также относятся удивительные голые землекопы и, с некоторыми оговорками, свиньи, броненосцы и т.д.
Попытки узнать, какая генетика стоит за безволосостью, предпринимались неоднократно, и кое-что генетики выяснили. Известен, например, ген Hr (Hairless — «безволосый»), поломки которого приводят к отсутствию волос у мышей.
Показано также, что к нарушению развития мышиной шерсти приводят мутации в генах фактора роста фибробластов — клеток соединительной ткани (FGF5 и FGF7).
Занимались учёные и исследованиями генетических особенностей «голых» пород собак и кошек. Однако не очень понятно, можно ли проводить прямую параллель между мутациями, резко меняющими внешний вид домашних животных, и генетической эволюцией млекопитающих, безволосых «от природы».
Тему эволюции безволосости поднимают авторы новой статьи в eLife.
Итак, безволосость развивалась независимо, конвергентно у разных видов млекопитающих, но, быть может, в основе этих изменений лежат сходные генетические механизмы? Исследователи решили прояснить этот вопрос, сопоставив геномы 62 волосатых и редковолосых млекопитающих. Редковолосыми считались те виды, у которых «кожа видна сквозь волосы». В исследование были включены 10 современных бесшерстных видов, а также один ископаемый — общий предок дельфинов и косаток, поскольку он, вероятно, тоже был безволосым. А вот общего предка ламантина и слона исследователи сочли шерстистым, поскольку хорошо известны волосатые родственники современных слонов, и значит, «более экономично» считать предка слонов покрытым шерстью.
Поскольку эволюционная родословная млекопитающих известна, сравнивая геномы, можно посмотреть, в каких участках ДНК у некоторого вида накопилось больше изменений, а какие участки более консервативны. Если некий ген менялся быстрее у редковолосых видов, чем у шерстистых — можно предположить, что эволюция этого гена каким-то образом связана с изменениями волосяного покрова. Авторы исследования полагают, что основная причина накопления быстрых изменений — ослабление ограничений: редкий волосяной покров теряет часть своих функций, и мутации в соответствующих генах реже отбраковываются естественным отбором
Подобный подход уже использовался раньше, например, для поиска генетических причин экстремального долгожительства у млекопитающих, и показал свою эффективность.
Конечно, тут существует трудность: можно принять за эволюцию безволосости развитие какого-нибудь другого признака, общего для исследуемых животных. Например, многие бесшерстные виды имеют крупные размеры — поэтому исследователи ввели поправки в модель, чтобы исключить влияние фактора размера тела. Кроме того, часть безволосых видов — морские животные. Учёные отбирали гены, сравнивая две гипотезы: 1) ген эволюционировал с разной скоростью у голых и волосатых видов, и 2) ген менялся быстрее либо медленнее у морских видов по сравнению с наземными, — и учитывали только гены, для которых вероятность первой гипотезы значительно превышала вероятность второй.
Итак, у 62 видов млекопитающих сравнивалось 19 тысяч генов, а также 343 тысячи некодирующих элементов генома.
Что же получилось? Очень интересно, что в некодирующих участках ДНК исследователи выявили больше изменений, связанных с эволюцией волос, чем в кодирующих участках, то есть в генах. Это значит, что главной причиной эволюции волосяного покрова, по-видимому, были изменения регуляции работы генов, а не состав кодируемых ими белков.
Анализ показал как ускорение эволюции отдельных элементов ДНК у безволосых животных, так и напротив, особенно консервативные участки. Как уже говорилось, исследователи считают основной причиной быстрого накопления мутаций ослабление эволюционных ограничений. Хотя быстрая эволюция может происходить и под действием сильного положительного отбора, анализ результатов показал, что к генам, менявшимся быстрее всего, это не относится. Более половины генов — рекордсменов по скорости изменений — демонстрировали признаки «псевдогенизации», т.е. вообще перестали работать, сломались у одного или нескольких безволосых видов. А почему какие-то участки ДНК стали более консервативными? Вероятно, потерю волос приходилось чем-то компенсировать — к примеру, возросли требования к защитным свойствам кожи.
Что же за гены попали в поле зрения исследователей? Генетики использовали известные перечни генов, связанных с ростом волос, и убедились, что в списке элементов ДНК, быстро менявшихся у безволосых видов, действительно много генов, ассоциированных с развитием волосяного покрова. Это гены, чья функция связана с формированием клеток кожи, волосяных фолликулов и тканей эпителия; гены, определяющие цикл роста волос. Интересно, что быстро эволюционировавшие гены в основном влияли на развитие стержня волоса. А многие некодирующие участки, менявшиеся ускоренно, находились рядом с генами волосяного сосочка и окружающего его матрикса. Известно, что находящийся в нижней части корня волоса волосяной сосочек является главным регулятором развития волосяных фолликулов и роста волос, а клетки матрикса дают начало всем структурам волоса. Поскольку даже у самых «лысых» млекопитающих в какие-то моменты их жизненного цикла присутствует некоторое количество волосков, гены, отвечающие за структуру волос, должны сохранять свою работоспособность. Кроме того, эти гены часто плейотропны, то есть помимо волос, участвуют в формировании других структур — например, зубов или потовых желёз. Ломать их опасно! Поэтому сами гены консервативны, а менять скорость роста волос, их распределение на коже и прочие особенности шерсти проще с помощью регуляторных, некодирующих участков генома, которые управляют работой соответствующих генов в нужном месте и в нужное время — что мы и видим.
Анализ позволил выявить несколько новых генов, чьё влияние на развитие волос ещё предстоит изучить. Самую быструю эволюцию у безволосых зверей показал FGF11 — ген фактора роста фибробластов. Его роль в формировании волосяного покрова неясна, однако известно, что он экспрессируется в коже и участвует в развитии зубов у мышей. Любопытно, что мутации в другом гене, FOXI3, связанные с бесшерстностью у мексиканских бесшерстных собак, также приводят к патологиям зубного ряда. Так что ген, влияющий на зубы, может быть связан и с волосами.
На втором месте оказался ген GLRA4 — субъединица глицинового рецептора. Этот ген не слишком хорошо изучен, поскольку у людей является псевдогеном. Однако глициновые рецепторы часто участвуют в цепях двигательных рефлексов, и исследователи предположили, что GLRA4 может участвовать в регуляции пиломоторного рефлекса, т.е. рефлекса, поднимающего волосы дыбом у млекопитающих.
Ряд других быстро эволюционирующих генов, выявленных в исследовании, тоже, по-видимому связан с развитием кожи и волос. Теперь их предстоит изучить более тщательно, что поможет не только понять, почему мы стали «голыми обезьянами», но и разобраться в деталях эволюции волос.
Вам может быть интересно:
Как млекопитающие стали живородящими? Возможно, виновата вирусная инфекция.
