Надежные генные системы из глубин нашей эволюционной истории

Сложная система управляет развитием наших конечностей. Исследователи из Базельского университета по-новому взглянули на генетический инструментарий, использовавшийся в ходе эволюции для создания целого ряда различных конечностей, включая плавники, крылья, копыта, пальцы рук и ног.

Многое может пойти не так, когда оплодотворенная яйцеклетка развивается в эмбрион и, в конечном итоге, дает начало новорожденному, поскольку мутации в геноме, влияющие на развитие, встречаются довольно часто. Тот факт, что эмбриональное развитие человека и животных обычно проходит безупречно, объясняется тем, что генетические программы контролируются рядом генных цепей, которые могут поддерживать друг друга в саморегулируемом режиме.

Эта устойчивость программ развития и стала ключевым интересом исследовательской группы под руководством профессора Рольфа Зеллера и доктора философии Эме Зунига с факультета биомедицины Базельского университета. Они пытаются разобраться в этом процессе, изучая ключевой регулятор развития конечностей, белок под названием «Гремлин1». Этот белок не дает клеткам формировать кости слишком рано и выполняет функцию тонкой настройки активности нескольких сигнальных сетей, связывая их друг с другом. Что особенно важно, Гремлин1 отвечает за правильное формирование так называемых почек конечностей — крошечных эмбриональных структур, которые дадут начало нашим конечностям.

Система обеспечивает идеальное развитие

Исследования с использованием эмбрионов мышей позволили ученым расшифровать еще один уровень регуляции и надежности этой программы развития. В научном журнале Nature Communications они описали серию «переключателей», встроенных в геном всех позвоночных, которые обеспечивают выработку нужного количества Гремлина1 в нужном месте. Эти переключатели называются «энхансерами».

Зунига сравнивает систему, которую она и ее команда исследуют, с системой освещения в комнате, которая управляется серией выключателей. Представьте себе освещенную комнату с освещением, в которой человеку необходимо прочитать инструкции по правильному формированию конечностей. «Вначале мы не знали, какой вклад вносит каждый отдельный выключатель в освещение комнаты», — объясняет исследовательница. «Мог обнаружиться главный выключатель, который выключает весь свет, делая инструкции невозможными для чтения. Теперь же мы знаем, что все выключатели вносят свой вклад в систему освещения: если один выключатель сломан, количество света меняется незначительно или не меняется вовсе, и информацию все равно можно прочитать. Именно поэтому система так надежна. С другой стороны, если сломано слишком много выключателей, то можно прочитать слишком мало информации, а в худшем случае вообще ничего».

Действительно, анализ, проведенный учеными, показал, что отдельные переключатели могут быть инактивированы без нарушения работы Гремлина1 или развития конечностей. Однако ниже определенного порога функционирования переключателей система дает сбой, и возникают пороки развития. «Множество защитных механизмов в системе объясняют, почему врожденные дефекты, вызванные генетическими изменениями в регуляции Гремлина1, встречаются крайне редко», — говорят авторы.

Стабильность с возможностью изменений.

Далее исследователи попытались определить эволюционные корни этой надежной серии переключателей. Они обнаружили, что ядро этой серии переключателей, обеспечивающее правильное количество и распределение Гремлина1 в человеческих эмбрионах, существовало у рыб уже более 400 миллионов лет назад. «Это показывает, что эволюция уже имела набор инструментов для развития конечностей еще до того, как плавники превратились в ноги и первые животные вышли на берег», — объясняет Зунига. В ходе эволюции менялась активность отдельных энхансеров и, как следствие, распределение Гремлина1. «Активность генетических переключателей и распределение соответствующего белка в почках конечностей предопределяет их последующее развитие в плавники, крылья, копыта или руки и ноги», — объясняет Зеллер.

Если бы только один переключатель регулировал производство Гремлина1, то эволюционное давление, направленное на сохранение этого переключателя в неизменном виде, было бы огромным. «Система с большим количеством переключателей гарантирует, что система не даст сбой из-за мелочей», — говорит Зунига. «И это дает эволюции пространство для изменений». Поэтому отдельные переключатели могли меняться без значительного давления, и это сыграло свою роль в развитии широкого спектра конечностей в ходе истории эволюции.

Жизнь – удивительная вещь, и она пользуется самыми разнообразными инструментами. Кстати, домен  .life можно применять также в самых разных целях.