12 февраля — день рождения Чарльза Дарвина, человека, заложившего основу теории эволюции. И если Дарвин в своих работах опирался на данные прямых наблюдений, то сейчас учёные получили возможность изучать внутренние механизмы эволюционных процессов, то, как изменения генома проявляются в изменении фенотипа живых организмов.
Змеи и ящерицы — рептилии отряда чешуйчатых (лат. Squamata). У них много общего, а главное отличие очевидно — у змей нет ног. Общий предок змей и ящериц жил более ста миллионов лет назад.
Научная группа под руководством Джулианы Гуссон Россито (Juliana Gusson Roscito) провела работу по идентификации генетических факторов, участвовавших в потере конечностей. Также рассмотрена ещё одна утрата — потеря зрения у некоторых подземных млекопитающих. Статья с материалами исследования опубликована в журнале Nature Communications.
«Мы исследовали эти два случая, чтобы понять гораздо более общий процесс — то, как изменения генома в ходе эволюции приводят к изменениям фенотипа», — говорит Джулиана Россито.
Джулиана родилась в Бразилии, работает в Институт молекулярной клеточной биологии и генетики Общества Макса Планка (нем. Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik) в Дрездене, Германия. Её соавтор — профессор бразильского Биологического института (порт. Instituto de Biociências) Университета Сан-Паулу (порт. Universidade de São Paulo) Мигель Родригес (Miguel Trefaut Urbano Rodrigues).
«Мы провели исследование геномов нескольких видов позвоночных, включая идентификацию геномных областей, которые изменились только у змей или подземных млекопитающих, оставаясь неизменными у других видов, которые не потеряли конечностей или имеют нормальные глаза», — рассказывает Джулиана Россито.
«Мы знаем, что у млекопитающих с дегенерировавшими зрительными системами потеряны некоторые гены, например, связанные с формированием хрусталика глаза и с фоторецепторными клетками сетчатки. Эти гены подвергались мутациям в ходе эволюционного процесса. В конце концов они полностью потеряли свою функциональность, способность кодировать белки. Но со змеями произошло нечто иное. Они не потеряли гены, связанные с формированием конечностей. Чтобы быть более точным, секвенирование генома змеи показало потерю одного гена, но только одного. Подход, который мы выбрали для нашего исследования, состоял в исследовании не генов, а элементов, которые регулируют экспрессию генов».
Экспрессия генов зависит от регуляторных элементов. Содержащаяся в гене информация должна быть транскрибирована в РНК (рибонуклеиновая кислота), а затем переведена в белок. Этот процесс регулируется цис-регуляторными элементами (цис-элементами) — последовательностями нуклеотидов в ДНК, расположенными вблизи генов, которые они регулируют. Цис-регуляторные элементы контролируют пространственно-временную и количественную модели экспрессии генов.
«Регуляторный элемент может активировать или ингибировать экспрессию гена в определённой части организма, например, в конечностях, в то время как другой регуляторный элемент может активировать или ингибировать экспрессию того же гена в другой части, например, в голове. Если сам ген потерян, он перестаёт работать в обоих местах и часто это оказывает негативное влияние на формирование организма. Если будет потерян один из регуляторных элементов, ген перестанет работать только в одной части организма», — пояснила Джулиана Россито.
С точки зрения исследователя, цис-регуляторные элементы идентифицировать сложнее, чем гены. Гены имеют характерный синтаксис, с базовыми парами, по которым можно понять, где гены начинаются и заканчиваются. Цис-элементы не такие, поэтому идентифицировать их приходится по косвенным признакам. Эта идентификация обычно основана на сравнении последовательностей ДНК многих различных видов.
«Чтобы обнаружить расхождение определённых последовательностей у змей, необходимо сравнить геномы змей с геномами различных рептилий и других позвоночных, которые имеют полностью развитые конечности. Прочитанных геномных последовательностей рептилий с хорошо развитыми конечностями мало, поэтому мы секвенировали и собрали полностью геном ящерицы тегу (Salvator merianae). Это первый вид семейства тейид, когда-либо секвенированный», — замечают авторы.
«Используя геном тегу как эталон, мы провели выравнивание геномов нескольких видов, в том числе двух змей (удав и питон), трёх других пресмыкающихся, трёх птиц, аллигатора, трёх черепах, 14 млекопитающих, лягушки и целаканта. Это выравнивание 29 геномов было использовано в качестве основы для всех дальнейших анализов».
Исследователи выявили более пяти тысяч участков ДНК — кандидатов на роль регуляторных элементов у нескольких видов. Затем был проведён поиск по большой базе данных, используя оригинальные технические приёмы, подробно описанные в статье. Был составлен список цис-элементов, мутация которых могла привести к исчезновению конечностей у предков змей.
«Есть несколько исследований, касающихся известного регуляторного элемента, регулирующего ген, вызывающий, при его модификации, различные дефекты конечностей. У змей есть мутации в этом цис-элементе. В исследовании, опубликованном в 2016 году, мышиный цис-элемент был заменён на змеиную версию, в результате чего были получены практически безногие мыши. Это была функциональная демонстрация механизма, который мог привести к потере конечностей у змей. Но данный цис-элемент только один из регуляторных элементов для одного из нескольких генов, контролирующих образование конечности», — говорит Джулиана Россито.
Данное исследование расширило набор известных цис-элементов. Показано, что весь сигнальный путь, отвечающий за формирование конечностей, у змей разрушен.
Подготовка материала: Сергей Сыров