Чтобы древние рыбы смогли выйти на сушу, им потребовалось не только приобрести или заменить несколько генов. Часть генома пришлось потерять.
Эмбриональное развитие всех позвоночных животных, от рыб до человека, на начальных стадиях очень похоже. Тем не менее, у рыб развиваются плавники, а у наземных позвоночных из тех же зачатков вырастают «ходильные» конечности. От чего это зависит, выяснили канадские ученые из университета Оттавы (University of Ottawa) в сотрудничестве с коллегами из Великобритании, Сингапура и Германии.
О родственности – биологи говорят о «гомологичности» -- плавников и конечностей можно судить по анатомическому сходству скелетов. Но есть отличие – краевой слой эпидермиса при развитии плавников у рыб образует тонкие нити -- актинотрихии. У наземных позвоночных, а также у ластоногих млекопитающих и водных рептилий их нет.
Ключевые нити и ключевые гены плавников
Актинотрихии служат опорными структурами плавников, в дальнейшем из них формируются острые плавниковые лучи – лепидотрихии. Состоят актинотрихии из белка эластоидина, обладающего свойствами коллагена и эластина. Но детальное строение этого белка до сих пор не было изучено.
Группа Мари-Андре Акименко (Marie-Andrée Akimenko) работала с излюбленным биологическим объектом – рыбкой данио рерио, или зебрафиш. Ученые нашли два гена, которые при развитии зародыша активизируются только в плавниках. А затем показали, что эти гены кодируют белки со свойствами эластоидина. Расшифрованный белок биологи назвали актинодином и убедились, что именно из него состоят плавниковые нити.
Гены and1 и and2 кодируют белки And1 и And2. Они содержат, соответственно, восемь и десять повторов одинакового мотива из девяти аминокислот. Белковые молекулы соединяются друг с другом, формируя протяженные домены.
Гены актинодина начинают работать в зародыше рыбы в местах зачатков плавников. Именно после этого на них развиваются актинотрихии, затем туда же мигрируют клетки соединительной ткани – фибробласты и образуют лопасть плавника. В конце формируются плавниковые лучи.
Биологи обнаружили активность генов не только в зародыше, но и у взрослой рыбы при регенерации поврежденных плавников.
В эмбрионах данио рерио ученые заблокировали работу генов and1 и and2. Выключение генов актинодина по цепочке нарушило работу множества других генов и синтез соответствующих белков – факторов роста. В мутантных зародышах развились, правда, все-таки не ноги, а дефектные укороченные плавники без актинотрихий и лопастей.
Иногда потеря ведет к прогрессу
Гены and1 и and2 биологи нашли и у других костных рыб, а также у слоновой акулы – древней хрящевой рыбы. У наземных же позвоночных таких генов просто нет. Из этого ученые сделали вывод, что гены имеют древнее происхождение, а в процессе выхода рыб на сушу утрачены за ненадобностью. Причем сначала гены перестали работать в парных грудных и брюшных плавниках, а потом – в хвосте. Это подтверждается ископаемыми остатками первых примитивных водных четвероногих из позднего девона. Их конечности уже выглядели как ноги, а не как плавники, а хвост еще был устроен по рыбьему типу.
О том, как плавники превратились в ноги, можно подробнее прочитать в последнем номере Nature.
