Плавник стал ногой после утраты нескольких генов

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.