Генетический переломный момент, который сделал возможным появление позвоночника

Новое исследование раскрывает скрытое генетическое изменение, которое могло обеспечить подъём животных с позвоночником. Credit: Shutterstock

Учёные из Университета Сент-Эндрюса определили важный недостающий элемент в понимании того, как впервые эволюционировали животные с позвоночником. К ним относятся млекопитающие, рыбы, рептилии и амфибии. Результаты помогают объяснить, как позвоночные возникли и диверсифицировались от более простых предков.

Исследование было опубликовано 2 февраля в журнале BMC Biology. В ходе работы исследователи обнаружили необычную закономерность в том, как эволюционировали определённые гены, что указывает на ключевую роль этих изменений в раннем развитии и расширении жизни позвоночных.

Как клетки общаются во время развития

Все животные полагаются на сложные сигнальные пути, позволяющие клеткам общаться друг с другом. Эти пути управляют критическими процессами, такими как формирование эмбриона и развитие органов. Они необходимы для нормального роста и также тесно связаны с болезнями при возникновении мутаций, поэтому часто становятся мишенями при разработке лекарств.

В основе этих путей лежат специализированные белки, определяющие, как сигналы интерпретируются внутри клеток. Эти белки действуют как контрольные точки, направляя клетки к определённому поведению и паттернам генной активности.

Сравнение асцидий, миног и лягушек

Чтобы лучше понять, как эволюционировали эти системы, исследователи получили новые генетические данные от асцидий (морских оболочников), миноги и вида лягушки. Асцидии — беспозвоночные, что делает их полезными для выявления различий между животными без позвоночника и с ним. Миноги представляют одну из самых ранних ветвей позвоночных, помогая определить, когда впервые появились ключевые генетические изменения.

Команда обнаружила, что гены, ответственные за производство сигнальных выходных белков, эволюционировали особым образом во время перехода от беспозвоночных к позвоночным.

Первый взгляд с помощью длинномолекулярного секвенирования ДНК

Исследование опиралось на длинномолекулярное секвенирование ДНК — метод, позволяющий разделять и идентифицировать различные транскрипты, производимые одним геном. Этот подход ранее никогда не применялся к генам, экспрессируемым у этих конкретных животных.

В результате исследователи впервые смогли картировать полный спектр транскриптов и белков, генерируемых этими генами во время развития позвоночных.

Всплеск разнообразия белков

В отличие от асцидии, и минога, и лягушка производили гораздо больше версий белков из отдельных сигнальных выходных генов. Это увеличение было значительно больше, чем наблюдалось для большинства других типов генов.

Масштаб этого сдвига был очевиден. Поскольку эти сигнальные пути влияют на то, как клетки становятся разными тканями и органами, исследователи полагают, что расширенное белковое разнообразие, вероятно, способствовало повышенной сложности позвоночных по сравнению с беспозвоночными.

Почему эти выводы важны

Ведущий автор, профессор Дэвид Феррье из Школы биологии, сказал:

«Для нас было очень удивительно увидеть, как эта небольшая группа очень специфических генов выделяется своим поведением по сравнению с любыми другими генами, которые мы изучали. Будет интересно определить, как эти различные белковые формы работают по-разному, чтобы генерировать разнообразие типов клеток, которое мы теперь видим у позвоночных».

Помимо проникновения в суть эволюции позвоночных, эти белковые вариации также могут оказаться ценными для будущих исследований. Понимание того, как функционируют эти пути и как их можно скорректировать, в конечном итоге может помочь учёным разработать новые подходы к лечению болезней.

Источники: sciencedaily.com
Материалы предоставлены Университетом Сент-Эндрюса.

ИИ: Это фундаментальное открытие проливает свет на один из ключевых «апгрейдов» в истории жизни на Земле. Интересно, что увеличение белкового разнообразия, по сути, стало биологическим «тюнинг-комплектом», позволившим природе экспериментировать с более сложными формами. Возможно, подобные генетические механизмы лежат в основе и других эволюционных скачков.