Скрытые генетические особенности приоткрывают завесу тайны выхода жизни на сушу
Почти 700 лет назад голландский поэт Якоб ван Марлант изобразил чудо–рыбу, готовую к жизни на суше: у неё выросли руки, чтобы выбраться на берег. И вот, проведённые в недавнее время три генетических исследования, делают его фантазию удивительно прозорливой. В совокупности эти исследования показывают, что с точки зрения набора генов водные предки четвероногих наземных животных (тетраподов), были так же хорошо подготовлены, как и эта фантастическая рыба с картины. Эти предки были заранее оснащены генами, которые можно было использовать для создания конечностей, эффективных лёгких и нервной системы, настроенной на решение тех проблем, которые создаёт жизнь на суше.
Обнаруженные окаменевшие останки помогли раскрыть часть деталей этой удивительной метаморфозы. Рыба с мясистыми плавниками, поддерживаемыми у основания единственной костью (по научной классификации — лопастепёрая рыба), переместилась на мелководье около 375 миллионов лет назад. Примерно 5 миллионов лет спустя некоторые из обладателей этих лопастепёрых плавников выползли на твердую поверхность суши. Первая рыба, ступившая плавниками на землю, должна была уже иметь по крайней мере некоторые физические черты и генетические модификации, необходимые для этого события, но науке было не известно, как и когда они сформировались.
В трёх исследованиях, опубликованных на прошлой неделе в журнале Cell, было показано, как при помощи исследования генов ныне живущих рыб можно заглянуть в далёкое прошлое. Ряд подсказок к разрешению этой загадки был получен в результате исследований рыбок данио–рерио (излюбленной модели биологов и аквариумистов) с определённой мутацией. М. Брент Хокинс, бывший аспирант Гарвардского университета, а ныне постдок, был шокирован, обнаружив мутантных рыбок данио с двумя костями, напоминающими кости передних конечностей наземных животных, расположенными в их передних плавниках. Вместе с мышцами, суставами и кровеносными сосудами. Всё, как и положено... тетраподам!
За эту трансформацию ответственны два мутировавших гена, vav2 и waslb. Оба гена кодируют белки, которые являются частью процесса, контролирующего активность белков Hox11, регуляторных молекул, которые, помимо других функций, направляют формирование двух костей предплечья у млекопитающих. У рыб другие белки обычно подавляют Hox11 и предотвращают образование этих костей. Но мутации, которые Хокинс воссоздал с помощью редактора генов CRISPR, реактивируют этот путь.
Другие генетические подсказки исходят от живых представителей древних родов рыб. Сегодня живы только две группы лопастепёрых рыб: двоякодышащие и латимерии. Около 400 миллионов лет назад они отошли от другой линии лопастепёрых, превратившихся 30 миллионов лет спустя в четвероногих обитателей суши. Сегодняшние океаны и другие водоёмы в основном населены видами из другой группы, которая возникла около 420 миллионов лет назад: рыбами с лучепёрыми плавниками, названными так потому, что их плавники состоят из тонких лучеобразных костей.
Эволюционные генетики Гоцзе Чжан из Копенгагенского университета и Вэнь Ван из Северо–Западного политехнического университета в Сиане (Китай) и их коллеги секвенировали геномы африканских двоякодышащих рыб, которые рано отделились от других лопастепёрых рыб. Исследователи также секвенировали геномы бичира, рыбу из семейства многопёрообразных, обитающую на мелководье тропических рек Африки, а также американского веслоноса, ильной рыбы и миссисипского панцирника. Все рыбы с лучевыми плавниками эволюционировали намного раньше (см. диаграмму) костистых рыб, которые доминируют в водах современной Земли. Зная возраст расхождения каждой из этих линий, учёные смогли определить, когда и где интересующие их гены впервые появились на генеалогическом древе рыб.
Ни один из видов секвенированных рыб не находится на той ветви, которая привела к тетраподам. Тем не менее, все они имеют большую часть из того генетического набора, который необходим для жизни на суше, включая большинство генов и регуляторной ДНК, необходимых для построения конечностей. Например, у всех исследованных рыб есть регуляторный элемент, помогающий формировать синовиальные суставы, которые делают плавники и конечности гибкими, что необходимо для передвижения по суше. У рыб также есть 11 генов, которые необходимы для построения легких и работают в лёгких бичира так же, как и у людей. Один из них предназначен для выработки легочного сурфактанта, смазывающего секрета, который помогает легким расширяться и сокращаться. И у лучепёрых рыб, и у лопастнопёрых двоякодышащих рыб также, по–видимому, есть регулирующий элемент, который помогает формировать правый желудочек сердца для более эффективной доставки кислорода у тканям организма.
Результаты проведённых исследований показывают, что многие черты, которые, как мы наивно полагали, характерны только для наземных животных, также присущи и рыбам. Просто у последних они находятся в скрытном от невооружённых глаз виде. Обнаружение всех этих генов у рыб с лопастными и лучевыми плавниками означает, что эти генетические особенности должны были присутствовать у их общего предка около 425 миллионов лет назад. И удивительно, что эти особенности так хорошо сохранились в течение такого длительного эволюционного времени. Потому что, например, костистые рыбы, напротив, потеряли большую часть тех черт генома, которые подготовили древних к жизни на суше.
Исследование генома двоякодышащих рыб раскрывает нам тайну более поздних адаптаций на пути к наземной жизни. Он включает в себя дополнительные гены для выработки легочного сурфактанта, отсутствующие у лучепёрых рыб, частей ДНК, которые необходимы для формирования пятипалости, соединения нервов с мышцами конечностей, а также для увеличения способности мозга к более быстрому реагированию. Все эти гены ранее считались уникальными для четвероногих.
Сложив все полученные факты вместе, Ван и Чжан пришли к выводу, что выход жизни на сушу на нашей планете состоял из трёх ключевых этапов. Первый этап — случайное возникновение способности дышать атмосферным воздухом у общего предка лучепёрых и лопастнопёрых рыб около 425 миллионов лет назад. Затем появление генов сурфактантов, новых генов модифицированной нервной системы и прочие инновации в строении организма, которые позволили лопастнопёрым рыбам временно покидать воду. Наконец, после того, как африканские двоякодышащие рыбы отделились от лопастнопёрых, их общий предок с прочими позвоночными животными приобрёл другие усовершенствования дыхательной системы и опорно–двигательного аппарата, необходимые для жизни вне водной среды.
Показательно, что вместо того, чтобы строить новые структуры и генетические пути сразу после перехода позвоночных на сушу, эволюция, по–видимому, проявила экономичность, используя уже существующие гены для адаптации к возможностям, предоставляемым наземной средой обитания. Эти исследования наглядно показывают, каким образом переход от рыб к тетраподам был достигнут за счёт изменения существующих молекулярных систем, а не создания новых.
И хотя у нас по–прежнему существуют пробелы в знании того, как рыбы вышли на сушу, но новые исследования приближают нас к более полному пониманию процесса трансформации водных существ в сухопутных. Ван Мерлант, надо полагать, был бы доволен.
Достаточно вольный перевод статьи
Hidden genetic pathways behind land–water transition are found in living fish
из номера журнала “Science” от 12 февраля 2021 года.
Обнаруженные окаменевшие останки помогли раскрыть часть деталей этой удивительной метаморфозы. Рыба с мясистыми плавниками, поддерживаемыми у основания единственной костью (по научной классификации — лопастепёрая рыба), переместилась на мелководье около 375 миллионов лет назад. Примерно 5 миллионов лет спустя некоторые из обладателей этих лопастепёрых плавников выползли на твердую поверхность суши. Первая рыба, ступившая плавниками на землю, должна была уже иметь по крайней мере некоторые физические черты и генетические модификации, необходимые для этого события, но науке было не известно, как и когда они сформировались.
В трёх исследованиях, опубликованных на прошлой неделе в журнале Cell, было показано, как при помощи исследования генов ныне живущих рыб можно заглянуть в далёкое прошлое. Ряд подсказок к разрешению этой загадки был получен в результате исследований рыбок данио–рерио (излюбленной модели биологов и аквариумистов) с определённой мутацией. М. Брент Хокинс, бывший аспирант Гарвардского университета, а ныне постдок, был шокирован, обнаружив мутантных рыбок данио с двумя костями, напоминающими кости передних конечностей наземных животных, расположенными в их передних плавниках. Вместе с мышцами, суставами и кровеносными сосудами. Всё, как и положено... тетраподам!
За эту трансформацию ответственны два мутировавших гена, vav2 и waslb. Оба гена кодируют белки, которые являются частью процесса, контролирующего активность белков Hox11, регуляторных молекул, которые, помимо других функций, направляют формирование двух костей предплечья у млекопитающих. У рыб другие белки обычно подавляют Hox11 и предотвращают образование этих костей. Но мутации, которые Хокинс воссоздал с помощью редактора генов CRISPR, реактивируют этот путь.
Другие генетические подсказки исходят от живых представителей древних родов рыб. Сегодня живы только две группы лопастепёрых рыб: двоякодышащие и латимерии. Около 400 миллионов лет назад они отошли от другой линии лопастепёрых, превратившихся 30 миллионов лет спустя в четвероногих обитателей суши. Сегодняшние океаны и другие водоёмы в основном населены видами из другой группы, которая возникла около 420 миллионов лет назад: рыбами с лучепёрыми плавниками, названными так потому, что их плавники состоят из тонких лучеобразных костей.
Эволюционные генетики Гоцзе Чжан из Копенгагенского университета и Вэнь Ван из Северо–Западного политехнического университета в Сиане (Китай) и их коллеги секвенировали геномы африканских двоякодышащих рыб, которые рано отделились от других лопастепёрых рыб. Исследователи также секвенировали геномы бичира, рыбу из семейства многопёрообразных, обитающую на мелководье тропических рек Африки, а также американского веслоноса, ильной рыбы и миссисипского панцирника. Все рыбы с лучевыми плавниками эволюционировали намного раньше (см. диаграмму) костистых рыб, которые доминируют в водах современной Земли. Зная возраст расхождения каждой из этих линий, учёные смогли определить, когда и где интересующие их гены впервые появились на генеалогическом древе рыб.
Ни один из видов секвенированных рыб не находится на той ветви, которая привела к тетраподам. Тем не менее, все они имеют большую часть из того генетического набора, который необходим для жизни на суше, включая большинство генов и регуляторной ДНК, необходимых для построения конечностей. Например, у всех исследованных рыб есть регуляторный элемент, помогающий формировать синовиальные суставы, которые делают плавники и конечности гибкими, что необходимо для передвижения по суше. У рыб также есть 11 генов, которые необходимы для построения легких и работают в лёгких бичира так же, как и у людей. Один из них предназначен для выработки легочного сурфактанта, смазывающего секрета, который помогает легким расширяться и сокращаться. И у лучепёрых рыб, и у лопастнопёрых двоякодышащих рыб также, по–видимому, есть регулирующий элемент, который помогает формировать правый желудочек сердца для более эффективной доставки кислорода у тканям организма.
Результаты проведённых исследований показывают, что многие черты, которые, как мы наивно полагали, характерны только для наземных животных, также присущи и рыбам. Просто у последних они находятся в скрытном от невооружённых глаз виде. Обнаружение всех этих генов у рыб с лопастными и лучевыми плавниками означает, что эти генетические особенности должны были присутствовать у их общего предка около 425 миллионов лет назад. И удивительно, что эти особенности так хорошо сохранились в течение такого длительного эволюционного времени. Потому что, например, костистые рыбы, напротив, потеряли большую часть тех черт генома, которые подготовили древних к жизни на суше.
Исследование генома двоякодышащих рыб раскрывает нам тайну более поздних адаптаций на пути к наземной жизни. Он включает в себя дополнительные гены для выработки легочного сурфактанта, отсутствующие у лучепёрых рыб, частей ДНК, которые необходимы для формирования пятипалости, соединения нервов с мышцами конечностей, а также для увеличения способности мозга к более быстрому реагированию. Все эти гены ранее считались уникальными для четвероногих.
Сложив все полученные факты вместе, Ван и Чжан пришли к выводу, что выход жизни на сушу на нашей планете состоял из трёх ключевых этапов. Первый этап — случайное возникновение способности дышать атмосферным воздухом у общего предка лучепёрых и лопастнопёрых рыб около 425 миллионов лет назад. Затем появление генов сурфактантов, новых генов модифицированной нервной системы и прочие инновации в строении организма, которые позволили лопастнопёрым рыбам временно покидать воду. Наконец, после того, как африканские двоякодышащие рыбы отделились от лопастнопёрых, их общий предок с прочими позвоночными животными приобрёл другие усовершенствования дыхательной системы и опорно–двигательного аппарата, необходимые для жизни вне водной среды.
Показательно, что вместо того, чтобы строить новые структуры и генетические пути сразу после перехода позвоночных на сушу, эволюция, по–видимому, проявила экономичность, используя уже существующие гены для адаптации к возможностям, предоставляемым наземной средой обитания. Эти исследования наглядно показывают, каким образом переход от рыб к тетраподам был достигнут за счёт изменения существующих молекулярных систем, а не создания новых.
И хотя у нас по–прежнему существуют пробелы в знании того, как рыбы вышли на сушу, но новые исследования приближают нас к более полному пониманию процесса трансформации водных существ в сухопутных. Ван Мерлант, надо полагать, был бы доволен.
Достаточно вольный перевод статьи
Hidden genetic pathways behind land–water transition are found in living fish
из номера журнала “Science” от 12 февраля 2021 года.