Книга рецептов эволюции: как ошибки «копипастирования» состряпали животный мир
700 миллионов лет назад явилась на свет замечательная тварь. По современным меркам, это было совершенно невзрачное животное, но у него уже имелись перед и зад, верх и низ, что представляло собой революционное достижение тогдашней эволюции, заложившее основы телесной организации большинства животных, включая человека.
Данное невзрачное животное обитало в древних морях нашей планеты, вероятно, ползая по дну. Это последний общий предок билатерий (двусторонне-симметричных животных), обширной супергруппы, включающей позвоночных (рыб, амфибий, рептилий, птиц и млекопитающих) и беспозвоночных (членистоногих, моллюсков, червей, иглокожих и многих других).
На сегодняшний день, согласно исследованию 20 видов двусторонне-симметричных животных, включая людей, акул, подёнок, многоножек и осьминогов, можно выделить более 7000 групп генов, восходящих к последнему общему предку билатерий. Об этом открытии, сделанном исследователями из барселонского Центра геномной регуляции (Centre for Genomic Regulation, CRG), сообщил журнал «Nature Ecology and Evolution» .
Примечательно, что, согласно данному исследованию, около половины указанных генов животные перепрофилировали, чтобы использовать их в особых частях тела, особенно в головном мозге и репродуктивных тканях. Полученные результаты удивили, так как древние, законсервированные гены обычно играют в организме фундаментальную, важнейшую роль и потому работают во многих его частях.
Приглядевшись к генам, исследователи обнаружили, что всё дело в счастливых для развития билатерий случайностях, в серии ошибок «копипастирования», которые совершила эволюция. Для примера возьмём один из важнейших моментов ранней истории позвоночных. Появление набора тканеспецифических генов совпало по времени с двумя событиями полногеномной дупликации. Животные стали использовать один экземпляр генома для решения фундаментальных задач, а другой — как сырьё для эволюционных инноваций. Подобные события того или иного масштаба постоянно происходили на протяжении всего развития билатерального древа эволюции.
«Наши гены подобны обширной библиотеке рецептов, которую, создавая или изменяя ткани и органы, можно применять по-разному. Представьте, что у вас случайно оказались два экземпляра рецепта паэльи. Вы можете хранить оригинальный рецепт, чтобы готовить по нему полюбившееся вам блюдо, а тем временем эволюция, экспериментируя со вторым экземпляром, скорректирует его так, что вместо паэльи будет получаться ризотто. Теперь представьте, что скопирована вся книга рецептов — причём скопирована дважды, — и прикиньте, какие возможности открывает это для эволюции. У большинства сложных животных наследие этих событий, имевших место сотни миллионов лет назад, продолжает жить и сегодня», — объясняет автор статьи Федерика Мантика (Federica Mantica), исследователь из барселонского CRG.
Авторы исследования обнаружили множество примеров новых, тканеспецифических функций, которые стали возможны благодаря специализации анцестральных (предковых) генов. Например, восходящие к одному и тому же предку гены TESMIN и tomb независимо друг от друга стали играть специализированную роль в семенниках позвоночных и насекомых. Насколько важны эти гены, ярко иллюстрирует тот факт, что проблемы с ними способны нарушить процесс выработки сперматозоидов, существенно влияя на фертильность как мышей, так и плодовых мушек.
Вдобавок специализация анцестральных генов способствовала возникновению сложных нервных систем. Например, у позвоночных исследователи обнаружили гены, ответственные за формирование вокруг нейронов необходимых для быстрой передачи нервных сигналов миелиновых оболочек. Кроме того, у людей учёные идентифицировали ген FGF17, который, как полагают, играет важную роль в поддержании когнитивных функций в пожилом возрасте.
У насекомых специализация специфических генов, проходившая в мышцах и эпидермисе для формирования кутикулы, внесла существенный вклад в появление и развитие способности летать. В коже осьминогов специализация других генов на восприятии световых раздражителей помогла этим животным менять цвет, маскироваться и общаться друг с другом. Изучая эволюцию видов на тканевом уровне, авторы исследования демонстрируют, что изменения в характере использования генов в различных частях тела сыграли большую роль в появлении у животных новых и уникальных особенностей. Другими словами, когда гены начинают действовать в специфических тканях, это может привести к развитию новых физических черт или способностей, в конечном итоге внося серьёзный вклад в эволюцию животных.
«Наша работа заставляет нас переосмыслить роли и функции, которые играют гены. Мы выяснили, что в ходе эволюции гены, имеющие решающее значение для выживания и сохраняющиеся на протяжении миллионов лет, могут, к тому же, очень легко приобретать новые функции. Это — отражение эволюционного балансирования между сохранением жизненно важных ролей и поиском новых путей», — заключает профессор-исследователь ICREA Мануэль Иримия (Manuel Irimia), соавтор статьи и научный сотрудник Центра геномной регуляции.