Ученые Нью-Йоркского университета и Чикагского университета создали фруктовых мух, несущих реконструированные древние гены, чтобы показать, как древние мутации способствовали крупным эволюционным изменениям в эмбриональном развитии, воздействие которых мы наблюдаем сегодня.
В работе, опубликованной в журнале eLife, установлено, что две мутации, возникшие 140 миллионов лет назад, изменили функцию критического гена развития, который в настоящее время регулирует развитие головы и других структур практически у всех видов современных мух.
"Вводя в древние гены индивидуальные мутации, произошедшие в глубоком прошлом, мы смогли показать, как именно каждая из них повлияла на развитие много миллионов лет назад", - объясняет Стивен Смолл, биолог Нью-Йоркского университета и один из ведущих авторов статьи.
"Мы обнаружили, что только две случайные мутации стали основными причинами глубоких изменений в процессах развития животных, которые стали незаменимыми для всех их современных потомков", - говорит Джозеф Торнтон, другой старший автор статьи, профессор кафедры экологии, эволюции и генетики человека в Чикаго.
Выявление мутаций в далеком прошлом.
Ученые уже давно пытаются понять, как генетические мутации изменили эмбриональное развитие и привели к появлению разнообразных форм животных, которые мы наблюдаем сегодня. Однако выявить важные мутации очень сложно, поскольку они произошли в глубоком прошлом, у давно вымерших животных, и их часто путают с десятками последующих мутаций.
Лаборатории Смолла и Торнтона в Университете Нью-Йорка и Университете Чикаго подошли к этой проблеме новаторским образом: вычислив последовательности древних генов на основе их современных потомков, химически воссоздали гены, а затем поместили их в эмбрионы мух, создав трансгенные эмбрионы, т.е. с чужим геном, для последующего их воздействия на развитие в лаборатории.
Это исследование является первым, в котором использовалось воссоздание предков в области эволюции развития, или evo-devo.
Исследователи сосредоточились на эволюции гена под названием бикоид. Бикоидтриггеры формируют структуры на головном (переднем) конце эмбрионов плодовой мухи, важного модельного организма, поскольку многие аспекты ее генетики и развития являются общими для людей и других животных. Бикоид служит "главным регулятором" переднего развития, включая экспрессию множества генов, осуществляющих головное развитие и подавляющих развитие хвоста, и делая это только на переднем конце.
Эмбрионы мухи, лишенные активного белка Bcd, умирают очень рано, так как вместо головы формируют хвостовые структуры с обоих концов. Но ген бикоидов не существует даже у других насекомых или более отдаленно родственных животных, которые используют другие гены для контроля переднего развития. Бикоид показывает, что даже самые фундаментальные аспекты развития могут радикально меняться в процессе эволюции, но неизвестно, как этот процесс происходит.
Две важные мутации.
Обе лаборатории стремились понять, как биоиды развивали свою новую функцию развития несколькими способами: воссоздание гена-предшественника, характеризующего его биохимические функции, введение его в современные фруктовые мухи, собственный биоиджен которых был удален, изучение его влияния на формирование структур головы и экспрессию конкретных генов, определяющих развитие головы, и введение исторических мутаций в наследственный ген для определения их влияния.
Первоначальные результаты показали, что мухи, несущие ген-предшественник, не развивают голову, с хвостами на обоих концах и ни один из ключевых генов, участвующих в развитии головы, не экспрессируется должным образом. Затем группа вводила в ген-предшественник все мутации, происходившие в течение древнего интервала, в течение которого бикоид развивал свою новую роль.
Большинство изменений практически не повлияли на функции бикоида, но два из них в совокупности позволили бикоиду активировать совершенно новый набор генов-мишеней. При введении в эмбрионы мутантный эволюционный вариант бикоида активировал большинство генов, вовлеченных в головное развитие в их соответствующих местах, и эмбрионы формировали узнаваемые, хотя и неполные, структуры головы вместо структур хвоста на переднем конце.
Группа пришла к выводу, что эти две мутации в сочетании являются главными причинами функциональной эволюции бикоидов, с дополнительными мутациями в течение того же древнего периода, уточняющими новую функцию гена.
"Объединив самые передовые методы биологии развития и эволюционной генетики, мы смогли проанализировать, как молекулярные изменения в древних генах кардинально изменили один из самых важных - или иначе консервативных - процессов в развитии животных", - отмечает Смолл.