Гены, которые формируют хрящ жабр рыб, были перепрофилированы для формирования хряща наружных ушей млекопитающих
Эволюция — мастер переработки. Она часто использует старые структуры (или древние гены) для новых задач. Ухо млекопитающего — прекрасный пример. За эры челюстные кости наших предков-рыб превратились в три отдельные маленькие кости, которые передают звуковые волны от барабанной перепонки к внутреннему уху.
Теперь новое исследование показывает, что был ещё один путь передачи от рыб к млекопитающим. Оказывается, что гибкий хрящ жабр рыб имеет близкое соответствие с хрящом наружного уха млекопитающих, видимой частью уха. Конечно, гибкие хрящевые структуры выполняют разные функции у рыб и млекопитающих: жаберные структуры позволяют рыбам дышать, а хрящ наружного уха млекопитающих улавливает звук. Но базовая генная сеть, которая строит эти структуры, имеет общую историю.
Чтобы было ясно, жаберные структуры не трансформировались во внешнее ухо млекопитающих. Скорее, когда первые позвоночные вышли на сушу и отказались от жабр, базовая сеть генов, которые сформировали жаберный хрящ, смогла построить что-то новое. «Это одно из изумлений жизни и эволюции, — говорит Эбигейл Такер, профессор развития и эволюции в Королевском колледже Лондона, которая не принимала участия в исследовании. — Регуляторная сеть все еще была там и, следовательно, могла быть кооптирована и использована снова, на этот раз для создания внешней структуры уха, а не жабры».
Эта переработка той же генной сети обеспечила основу для последующих эволюционных инноваций. Хрящ в наружном ухе млекопитающих эволюционировал далее в различные формы, такие как большие, чувствительные уши эхолокирующих летучих мышей, настороженные, заостренные уши кошки или висячие уши слона, каждое из которых настроено на звуки, важные для этого животного. У некоторых млекопитающих хрящ уха даже стал еще более модифицированным, заполненным специализированными хрящевыми клетками, содержащими большие жировые капли, которые, как предполагают исследователи, придают хрящу уникальные структурные и акустические свойства.
«Мы считаем, что существует наследственная программа по формированию хрящевых жабр на голове, которая в ходе эволюции сместилась в положение, чтобы стать более тесно связанными с ухом, подобно тому, как предковые челюсти рыб сместились в среднее ухо, — объясняет Гейдж Крамп, биолог, занимающийся стволовыми клетками в университете Южной Калифорнии, и старший автор нучной статьи, опубликованной в журнале Nature. — Программа по формированию хрящевой структуры в этой общей области головы глубоко сохранилась, но точное положение, полный репертуар экспрессируемых генов и, следовательно, типы клеток и их функции сильно изменились».
Команда Крампа, которая использует данио-рерио в качестве модельного организма для своих исследований, давно интересовалась развитием лица позвоночных. При создании атласа всех различных типов клеток лица данио-рерио исследователи заметили два типа хрящей: один ожидаемый и один, который они раньше не замечали. Эта неожиданная форма представляла собой стержень эластичного хряща, который поддерживал пальцевидные выступы жабр. Этот хрящ был похож на тот, что обнаружен в наружном ухе млекопитающих.
Исследователи заметили, что активность генов в хряще наружного уха человека была похожа на активность в эластичном хряще жабр рыб. Но многие гены активны в неродственных органах. Чтобы выяснить, имеют ли структуры общую эволюционную историю, исследователи сосредоточились на энхансерах — последовательностях ДНК, которые управляют активностью своих целевых генов в определенной ткани. Они определили шесть ключевых энхансеров, которые были необходимы для развития хряща наружного уха человека, но не носа. Исследователи рассудили, что если активность генов в жабрах рыб и хрящах уха млекопитающих была инициирована похожими энхансерами, то эти структуры, вероятно, будут иметь одинаковое эволюционное происхождение.
Этот подход, сосредоточенный на усилителях, «очень вдохновляет и действительно очень разумен, очень проницателен, — говорит Лисия Селлери, специалист по стволовым клеткам и биологии развития в Калифорнийском университете в Сан-Франциско, которая не принимала участия в исследовании. — Это может показать, возникли ли новые структуры в результате использования предковой программы развития или они появились de novo».
Чтобы исследовать вопрос о рыбьих жабрах и ушах, исследователи под руководством тогдашнего аспиранта Крампа Мати Тируппати провели несколько остроумных экспериментов по генетическому переносу. Во-первых, они поместили шесть человеческих наружных ушных усилителей, которые контролируют гены, в геном данио-рерио, и использовали флуоресцентный репортерный ген, который загорался, чтобы определить место в организме, где обычно активируются обычные цели усилителей. Поразительно, но хрящевые усилители уха человека только активировали активность зеленого флуоресцентного белка в жабрах данио-рерио, что говорит о том, что то, что контролирует экспрессию генов, очень похоже в жабрах и наружном ухе, говорит Крамп.
Затем команда провела еще один эксперимент: она поместила ключевые усилители, которые были активны в жабрах данио-рерио, в геном мыши. Там исследователи наблюдали, что элементы ДНК рыбы теперь активировали зеленый флуоресцентный белок в наружном ухе развивающихся трансгенных мышей, подкрепляя идею о том, что для построения хряща в жабрах и ухе использовалась одна и та же базовая генная сеть.
«То, что делает это более интересным, чем просто повторное использование того же молекулярного инструментария, заключается в том, что он также повторно использует регуляторные элементы [усилители], которые контролируют экспрессию этих генов», поэтому регуляторные элементы, которые управляют экспрессией генов хряща в жабрах, управляют экспрессией генов хряща в ухе млекопитающих, — говорит Такер. — Так что это дополнительный уровень использования системы, которая была там раньше».
Затем исследователи попытались определить, какие ключевые гены находились под влиянием этих усилителей. Одним из выделяющихся семейств генов был DLX, который связан с геном, идентифицированным у плодовой мушки как distal-less , который важен для развития конечностей насекомых. Исследователи обнаружили, что те же самые усилители для генов позвоночных DLX появились у животных от данио-рерио до человека на протяжении более 400 миллионов лет эволюции. Вот почему усилители удалось заменить у генетически модифицированных рыб и мышей.
Чтобы узнать, насколько старыми были эти усилители, исследователи изучили мечехвостов, беспозвоночных, которые также дышат жабрами. Они обнаружили, что тот же самый ген distal-less , который связан с геном DLX , также участвует в формировании жабр мечехвостов. А вставив элемент управления ДНК мечехвостов в геном данио-рерио, можно было активировать флуоресцентную молекулу в жабрах данио-рерио. Это говорит о том, что генетический механизм, который формирует наружное ухо млекопитающих, предшествует эволюции позвоночных; он может датироваться сотнями миллионов лет назад, когда появились первые морские беспозвоночные, у которых были выступы, похожие на жабры. Когда эволюционировали рыбы, первые позвоночные, генная сеть, которая строит жаберный хрящ у этих беспозвоночных, была переработана для формирования жабр рыб, в то время как у рыб развился новый тип костного скелета.
«Мы считаем, что эластичный хрящ в наших наружных ушах может быть последним остатком хряща беспозвоночных», — предполагает Крамп.
Чтобы понять, что произошло на эволюционном древе позвоночных между рыбами и млекопитающими, исследователи изучили активность тех же самых усилителей у лягушек и ящериц. У головастиков лягушек усилители внешнего уха человека активировали флуоресцентный белок в жабрах головастика. У ящериц-анолисов, у которых нет жабр или внешнего уха, усилители внешнего уха человека активировали флуоресцентный белок в ушном канале животных, который также имеет эластичный хрящ, похожий на хрящ в жабрах рыб и головастиков. Это говорит о том, что генная сеть, которая делает эластичный хрящ в жабрах рыб, сначала стала активной в ушном канале рептилий, а затем в наружном ухе млекопитающих.
«Итак, мы представляем себе следующее: у амфибий и рептилий произошел переход от жабр к слуховому проходу, который затем у млекопитающих значительно развился и сформировал наружное ухо», — говорит Крамп.
В ходе эволюции хрящ наружного уха у млекопитающих продолжал эволюционировать не только по форме, но и по внутреннему составу. Биолог Максим Пликус и его команда из Калифорнийского университета в Ирвайне недавно описали хрящевые клетки в ушах мелких млекопитающих — мышей, землероек, летучих мышей и крыс, среди прочих, — которые представляют собой нечто среднее между хрящевыми клетками и жировыми клетками. Эти клетки, заполненные каплями жира, образуют пузырчатую пленку, называемую липохрящом. Хотя эта ткань была впервые обнаружена в 1854 году немецким гистологом Францем фон Лейдигом, о ней до сих пор в значительной степени забывали. Команда Пликуса выдвигает гипотезу, что липохрящ обладает уникальными акустическими свойствами, такими как способность усиливать распространение звуковых волн, что может быть адаптацией для слуха млекопитающих.
«Хотя действительно существует программа, которая присутствует у беспозвоночных, а затем повторно используется у рыб и млекопитающих для создания наружного уха, есть также инновации, которые появляются у млекопитающих, — говорит Селлери, который написал перспективную статью в Science об исследовании липохряща. — Одним из таких инноваций является наличие хряща с жиром».
«[Липокрайлаг может] может использовать вакуоли — липидные капли — для совершенно иной цели, чем та, которую они обычно играют», — говорит Пликус. В то время как основная цель липидных капель в жировых клетках — хранить энергию, в липохряще «эти липидные капли в первую очередь играют структурную и биомеханическую роль, поэтому они больше не участвуют в метаболической функции», — говорит Пликус.
Постдокторант Рауль Рамос руководил исследованием, научная статья о котором опубликована в Science. Исследователи показали, что у мышей жировые вакуоли не изменяются в ответ на метаболическое состояние: они не увеличиваются в размере, когда мышь переедает, и жировые капли не используются для получения энергии, когда животное голодает. Команда также показала, что капли производятся с использованием очень специфического метаболического пути, который преобразует сахара в жир, и этот контролируемый метаболический путь позволяет организму животного регулировать точный размер и расстояние между липидными каплями.
Это, в свою очередь, способствовало эволюции структур уха с акустическими свойствами, соответствующими потребностям различных видов животных. Например, большие, ребристые уши летучих мышей настолько чувствительны, что они могут улавливать взмахи крыльев крошечного насекомого.