Биолог-эволюционист объясняет, почему у вас, вероятно, не вырастет хвост.
Почему люди выглядят как люди, а не как шимпанзе? Хотя наша ДНК на 99% совпадает с ДНК шимпанзе, наши лица и тела сильно отличаются друг от друга.
Хотя форма и внешний вид человеческого тела явно изменились в ходе эволюции, некоторые гены, контролирующие определяющие характеристики различных видов, на удивление остались прежними. Как биолог, изучающий эволюцию и развитие, я посвятил много лет размышлениям о том, как гены на самом деле заставляют людей и других животных выглядеть так, как они есть.
Новые исследования моей лаборатории о том, как работают эти гены, пролили свет на то, как гены, которые оставались неизменными в течение сотен тысяч лет, все еще могут изменять внешний вид различных видов по мере их эволюции.
Я бы умер за Нарвала
- STEMLORD (@upulie) 15 ноября 2019 г.
Орел против решки
В биологии план тела описывает, как устроено тело животного с головы до ног или хвоста. Все животные с двусторонней симметрией, что означает, что их левая и правая стороны являются зеркальными отражениями, имеют схожие планы тела. Например, голова формируется на переднем конце, конечности формируются в середине тела, а хвост формируется на заднем конце.
Животные одного и того же вида обычно имеют одинаковую симметрию. Люди и козы обладают двусторонней симметрией, то есть их можно разделить на половинки, являющиеся зеркальным отражением друг друга. CNX OpenStax/Wikimedia Commons, CC BY
Hox-гены играют важную роль в формировании этого строения тела. Эта группа генов представляет собой подмножество генов, участвующих в анатомическом развитии, называемых гомеобоксными генами. Они действуют как генетическая система GPS, определяя, во что превратится каждый сегмент тела в процессе развития. Они гарантируют, что ваши конечности вырастут из туловища, а не из головы, контролируя другие гены, отвечающие за формирование определенных частей тела.
Все животные имеют Hox-гены и экспрессируют их в сходных частях тела. Кроме того, эти гены не менялись на протяжении всей истории эволюции. Как эти гены могут оставаться такими стабильными на протяжении столь обширных эволюционных промежутков времени и при этом играть такие ключевые роли в развитии животных?
Взрыв из прошлого
В 1990 году молекулярный биолог Уильям МакГиннис и его исследовательская группа задались вопросом, могут ли Hox-гены одного вида функционировать аналогичным образом у другого вида. В конце концов, эти гены активны в одних и тех же областях тела у животных, от плодовых мушек до человека и мышей.
Это была смелая идея. В качестве аналогии рассмотрим автомобили: большинство деталей автомобилей разных марок обычно не взаимозаменяемы. Около 100 лет назад был изобретен первый автомобиль. Сравните это с мухами и млекопитающими, чей последний общий предок жил более 500 миллионов лет назад. Было практически немыслимо, чтобы обмен генами разных видов, которые отличались друг от друга в течение такого огромного периода времени, мог сработать.
Тем не менее, МакГиннис и его команда продолжили свой эксперимент и вставили Hox-гены мыши или человека плодовым мушкам. Затем они активировали гены в неправильных соответствующих областях тела - например, поместили ген Hox, который сообщает человеческой ноге, где развиваться, в самой передней части головы плодовой мушки. Неуместная часть тела указывает на то, что гены Hox мыши или человека функционируют так же, как собственные гены плодовой мушки.
Примечательно, что Hox-гены как мыши, так и человека превратили усики плодовой мушки в ноги. Это означало, что информация о местоположении, предоставляемая генами человека и мыши, по-прежнему распознавалась мухами миллионы лет спустя.
Как на самом деле работают Hox-гены?
Следующий большой вопрос заключался в том, как именно эти Hox-гены определяют идентичность различных частей тела?
Существовали две точки зрения на то, как работают Hox-гены. Первая, называемая поучительной гипотезой, предполагает, что эти гены, контролирующие форму, функционируют как «главные» регуляторные гены, которые снабжают тело инструкциями по развитию различных частей тела.
Второй, предложенный McGinnis, предполагает, что Hox-гены вместо этого обеспечивают позиционный код, который отмечает определенные места в теле. Гены могут использовать эти коды для создания определенных структур тела в этих местах. В ходе эволюции определенные части тела попадают под контроль определенного гена Hox таким образом, чтобы максимизировать выживаемость организма. Вот почему у мух на голове появляются усики, а не ноги, а у людей ключицы располагаются ниже, а не выше шеи.
В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Science Advances, мой подопечный МакГинниса, Анкуш Аурадкар, проверяет эти гипотезы на плодовых мушках.
Каждый ген Hox связан с определенной частью тела. Например, ген proboscipedia, или pb, управляет формированием ротового аппарата плодовой мушки. Антонио Кесада Диас/Wikimedia Commons
Auradkar сосредоточился на Hox-гене плодовой мушки, называемом proboscipedia (pb), который управляет формированием ротового аппарата мухи. Он использовал редактирование генома на основе CRISPR, чтобы заменить ген pb из обычной лабораторной разновидности плодовой мушки, Drosophila melanogaster или D.mel для краткости, со своим гавайским двоюродным братом, Drosophila mimica или D. mim. Если бы поучительная гипотеза была верна, D. mel сформировал бы ротовой аппарат D. mim, похожий на решетку. И наоборот, если гипотеза МакГинниса верна, ротовой аппарат D. mel должен остаться прежним.
Как и предсказывал МакГиннис, у мух с генами D. mim не развились признаки гриля D. mim. Однако у D. mim была одна особенность, которая все же просочилась наружу: органы чувств, называемые верхнечелюстными щупиками, которые обычно торчат из лица у D. mel, вместо этого были выровнены параллельно рту. Это показало, что ген pb обеспечивает как маркер того, где должен формироваться рот, так и инструкции о том, как его сформировать. Хотя основной результат был в пользу теории МакГинниса, обе гипотезы были в основном верны.
Auradkar также интересовался, как ген pb определяет ориентацию верхнечелюстных щупиков. Он мог бы сделать это, изменив кодируемый им белок, выполняющий инструкции, данные геном. Или он мог бы изменить то, как он контролирует другие гены, действуя как выключатель света, который определяет, когда и где включаются гены. В результате дополнительных испытаний он обнаружил, что эта особенность D. mim возникла в результате изменения того, насколько сильно включается ген pb в областях, формирующих щупики, в отличие от изменений в самом белке. Это открытие еще раз подчеркивает удивительное сохранение функции Hox-белка в ходе эволюции - генетическое оборудование работало одинаково хорошо у одного вида, как и у другого.
Auradkar также обнаружил, что Hox-гены участвуют в эволюционном перетягивании каната друг с другом. Один ген Hox может стать более доминирующим, чем другой, и определить, какие черты в конечном итоге сформируются у вида.
Эти эксперименты показали, что даже небольшие изменения в том, как Hox-гены взаимодействуют друг с другом, могут иметь серьезные последствия для формы тела организма.
Нокс-гены и здоровье человека
Что эти исследования мух значат для людей?
Во-первых, они дают представление о том, как строение тела разных видов меняется в ходе эволюции. Понимание того, как Hox-гены могут манипулировать развитием животных, способствуя их выживанию, может объяснить, почему животные выглядят именно так. Подобные механизмы могли бы объяснить, почему люди больше не похожи на шимпанзе.
Во-вторых, эти выводы могут привести к лучшему пониманию того, как у людей возникают врожденные дефекты. Изменения или мутации, которые нарушают нормальное функционирование генов Hox, могут привести к таким состояниям, как заячья губа или врожденный порок сердца. Новые методы лечения на горизонте с использованием редактирования генома на основе CRISPR могут быть использованы для лечения этих часто изнурительных состояний, включая мышечную дистрофию.
Эта статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите исходную статью.