Один набор генов стимулирует развитие шипов иглобрюхих рыб, чешуи данио-рерио, волос мыши и куриных перьев, сообщили 25 июля 2019 в iScience исследователи. Новое исследование, проведенное среди японских иглобрюхих рыб (Takifugu niphobles), подтверждает недавние результаты, согласно которым сигнальные пути формируют все позвоночные придатки кожи, но представляет собой первую попытку продемонстрировать это в таком малоизвестном виде.
Соавтор книги Гарет Фрейзер, эволюционный биолог-разработчик из Университета Флориды в Гейнсвилле, говорит, что строительные блоки этих сооружений значительной степени сохранились у позвоночных животных. "Даже эти шипы из этой действительно странной, производной группы рыб, иглобрюхих рыб, используют тот же набор генов, что и волосы, перья, рыбья чешуя и акульи дермальные зубцы."
Иглобрюхие принадлежат к отряду Tetraodontiformes (Иглобрюхообразных), группе рыб, которая может похвастаться разнообразием кожных придатков от колючей чешуи до бронежилетов. Считалось, что это новое украшение возникло из типичных форм чешуи рыбы, но никто не знал, когда и какими механизмами.
Наблюдая, что некоторые рыбы Иглобрюхообразного типа выращивают чешую с одним колючим концом, исследователи предположили, что соответствующие придатки могут пройти через стадию чешуи, прежде чем принять окончательную форму. Изучая иглобрюхих, они обнаружили, что дело не в этом.
Чтобы наблюдать за развитием позвоночника, Фрейзер и его коллеги отправились в Японию во время короткого сезона размножения рыбы Такифугу (Takifugu niphobles). В течение двух месяцев лета взрослая рыба катается по берегу прилива, дико покачиваясь, высвобождая икринки и сперму на песок. Исследователи собрали размножавшихся самцов и самок с пляжа Араи в префектуре Канагава и оплодотворили тысячи их яиц на местной морской станции.
Через 12 дней после оплодотворения эмбрионы начали расти на подбрюшных отделах позвоночника, не проходя стадию, похожую на чешуйчатую. Независимо от того, насколько разными оказались конечные придатки, исследователи предсказывали, что все они будут управляться одной и той же генетикой, учитывая, что было обнаружено для контроля развития кожных отростков других животных.
Действительно, анализ экспрессии генов показал, что тот же набор сигнальных путей, что и у перьев, чешуек и волос, также стимулировал развитие позвоночника. Исследователи изучили эти пути, а именно Wnt, Hh, FGF и BMP, используя ингибирование малых молекул гена и смогли изменить общее количество и расположение позвоночников у мутирующих рыб.
Авторы также использовали CRISPR-Cas9 для нарушения сигнального пути Eda, который, как известно, помогает определить размер, форму и расстояние между придатками кожи у различных видов позвоночных животных. Eda оказался критически важным для нормального развития позвоночника иглобрюхих рыб, и исследователи предполагают, что изменения в пути, возможно, были движущей силой эволюции придатка.
По его словам, исследование, посвященное иглобрюхим рыбам, подтверждает, "в некотором смысле, неудивительно", что кожные придатки управляются одними и теми же молекулами у всех животных.
Следующим шагом будет изучение того, как была скорректирована консервативная сеть для производства шиповидных корешков иглобрюхих рыб различного размера и с различным покрытием кожи. Успешно выведя иглобрюхую рыбу в Университете Флориды, Фрейзер планирует продолжить исследования в следующем году.
"Несмотря на ожидаемые результаты, исследования иглобрюхих свидетельствуют о захватывающем сдвиге в биологии развития в сторону дополнения данных от общих модельных организмов данными от более экзотических существ," - говорит Р. Крейг Альбертсон, эволюционный биолог по развитию Массачусетского университета в Амхерстоне.
"Мы берем эти организмы, которые поддаются выращиванию в высокой плотности и инбредованию в лаборатории для создания свода правил генетики и развития," - говорит Альбертсон, который не участвовал в исследовании. Но традиционные лабораторные животные "просто ненормальны", говорит он, поэтому правила, которые к ним применяются, не обязательно диктуют развитие у всех животных. "Тогда мы сможем получить информацию от этих более непонятных организмов и применить ее более широко."
Хотя род Такифугу хорошо известен неврологам, по мнению Фрейзера, он остался в значительной степени нетронутым эволюционными биологами развития. По словам доктора Эндрю Амана, эволюционного биолога по развитию Университета Вирджинии в Шарлоттсвилле, проведение стандартных исследований в немодельных организмах когда-то считалось гигантским начинанием.
"Но с появлением недорогостоящих технологий секвенирования генома, транскриптома и CRISPR-Cas9 необходимость в этом отпала. А отдельная лаборатория, подобная лаборатории Фрейзера, может создать инструменты, необходимые для достижения прогресса в любом организме", - говорит Аман, который не участвовал в исследовании.