Британские и испанские генетики обнаружили, что анатомическая сложность позвоночных животных возникла не столько из-за появления новых генов, сколько благодаря увеличению числа вариантов белков при той же генетической базе. Изменения произошли в ключевых сигнальных путях, управляющих развитием эмбриона, что позволило развиться более сложным организмам.
В биологии существует противоречие: количество генов в геноме не коррелирует со сложностью организма. Например, у человека и микроскопического круглого червя количество генов примерно одинаково.
При этом развитием любого эмбриона управляют одни и те же сигнальные пути (Wnt, Hedgehog, BMP). Это цепочки передачи информации от оболочки клетки к ее центру. Заканчиваются эти цепочки особыми белками — транскрипционными факторами. Эти белки получают сигнал и проникают в ядро, где физически включают или выключают нужные участки ДНК.
Авторы статьи, опубликованной в журнале BMC Biology, предположили, что усложнение организмов произошло благодаря альтернативному сплайсингу. Это механизм, который позволяет одному гену работать как конструктор: из одной и той же инструкции ДНК клетка может собирать несколько разных версий белка (изоформ), просто склеивая смысловые участки кода в разном порядке.
Исследователи сравнили транскриптомы (совокупность всех работающих молекул РНК) у трех видов, представляющих эволюционную лестницу от беспозвоночных к позвоночным. Они взяли оболочника Ciona intestinalis (беспозвоночное, ближайший родственник позвоночных, миногу Lampetra planeri, примитивное бесчелюстное позвоночное, и лягушку Xenopus tropicalis — современное челюстноротое позвоночное.
Авторы применили секвенирование длинных прочтений. В отличие от стандартных методов, этот подход позволяет прочитать молекулу РНК целиком. Это дало возможность точно подсчитать, сколько именно вариантов сплайсинга (разных версий белка) создается с каждого гена.
Анализ показал, что общее количество вариантов сплайсинга у позвоночных выросло не везде, а избирательно — именно в семействах генов, кодирующих те самые транскрипционные факторы.
В семействах TCF/LEF (путь Wnt), GLI (путь Hedgehog) и SMAD (путь BMP) разнообразие изоформ у позвоночных оказалось значительно выше. Если у оболочника эти гены работают по принципу «один ген — один белок», то у лягушки каждый из этих генов производит два-три функциональных варианта.
Любопытное открытие сделали и у самого примитивного участника сравнения. В гене TCF у оболочника обнаружили уникальную изоформу, возникшую благодаря встройке транспозона (мобильного генетического элемента). Это демонстрирует, как «мусорная ДНК» может спонтанно создавать новые функциональные части белков.
Работа доказывает, что усложнение организмов шло по пути тонкой настройки. Позвоночные не изобретали новые сигнальные пути, а расширили репертуар белков, исполняющих команды. Увеличение числа изоформ позволило клеткам реагировать на одни и те же сигналы более разнообразно, создавая сложные ткани и органы на базе старого генетического набора.