Если в школе Вы никогда не понимали фразу «онтогенез повторяет филогенез», не волнуйтесь: биологи больше не считают, что «онтогенез» животного, то есть, его эмбриональное развитие, переигрывает всю свою эволюционную историю. Вместо этого новый способ выясняет, какие регулирующие сети имеют место у развитых животных, которые управляют образцами экспрессии гена, особенно эмбриональными, для получения видовых особенностей. Исследование издано 14 сентября 2014 Институтом медицинских исследований Стоуэрс.
Исследователь Робб Крамлоф, доктор философии, и его коллеги показывают, что морская минога Петромизон маринус — оставшееся в живых древнее позвоночное животное, показывает образец экспрессии гена, напоминающий ее губочных кузенов, которые развились намного позже. Те гены, названные генами Hox, функционируют как молекулярный регулятор, определяя, где вдоль оси животного появится какая-либо особенность или придаток.
«Гены Hox регулируют характер или форму ткани в органах или чертах лица. Наша работа в прошлом обращалась к уникальным факторам, которые, например, делают руку отличающейся от ноги, — говорит Крамлоф. — Теперь мы озадачены общей ролью, которую подобные наборы генов играют в создании основного структурного плана».
Команда в сотрудничестве с Мэриэнн Броннер, доктором философии, преподавателем биологии в Калифорнийском технологическом институте, сосредоточилась на морской миноге, потому что обзор окаменелостей показывает, что ее предки появились из кембрийского ила приблизительно 500 миллионов лет назад, за 100 миллионов лет до того, как появилась первая рыба. Вопрос был в том, мог ли ген регулирующей сети, которая строит «современный» позвоночник, произойти от животных, которые испытывают недостаток в этих структурах?
Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи создали так называемые гены-«репортеры» из отрезков регулирующей ДНК, обрамляющей определенный ген Hox у рыб или мышей, и связали их с флуоресцентными элементами. Когда их внедряют в экспериментальное животное, эти типы репортеров «пылают» в тканях, где ген активирован или «выражен». Исследователи выбрали особый ряд репортеров Hox, потому что, помещенные в эмбрионы губочной рыбы, они светились в смежных спектрах света по эмбриональному спинному мозгу.
Потрясающее открытие было получено, когда они ввели тех же самых репортеров в эмбрионы миноги, используя технику, развитую Хьюго Паркером, доктором философии, постдокторантом в лаборатории Крамлофа и первым автором исследования. Эмбрионы миноги показали тот же самый образец спектра репортеров Hox, что и губочная рыба.
«Мы были удивлены, увидев подобное выражение репортера в миноге, которое напоминает образец у мыши или рыбы, — говорит Паркер, аспирант в Университете королевы Мэри в Лондоне, который вел наблюдение за репортерами. — Это означает, что ген регулирующей сети, который управляет сегментальным копированием спинного мозга, вероятно, развился до расхождения губочных и позвоночных животных».
Исследователи знали, что у мышей и рыб короткие отрезки ДНК в одном репортере Hox (Hoxb3) сформировали посадочную площадку, признанную ДНК-связывающим белком. Как ожидалось, когда мутант репортеров был внедрен в губчатую рыбу, в тех последовательностях гены были бездействующими (они не светились) в спинном мозге. Замечено, что репортер мутанта был также бездействующим в эмбрионах миноги, подразумевая, что этот выключатель контроля существовал в течение очень долгого времени.
«Эти результаты предполагают, что регулирующие схемы, управляющие копированием спинного мозга, были, вероятно, «фиксированы» у древних позвоночных животных», — говорит Броннер. Некоторые могут считать удивительным, как взрослые млекопитающие (как мы!) не имеют абсолютно никакого сходства с миногами. Однако эмбрионы миноги и других позвоночных животных показывают много поразительных общих черт, доказывая, что есть общие особенности, характерные для всех.
