Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Библиотека

 
Л. Краусс
«Страх физики». Глава из книги


Интервью с В. Сурдиным
Полет на Луну — это командировка на неделю


А. Акопян
Как ищут тёмную материю


И. Акулич
Идеальный почтовый индекс


А. Бердников
Интерференция в домашних условиях. Плёнки и антиплёнки


Интервью с Л. Марголисом
Леонид Марголис: «Мне всегда было интересно, как клетки разговаривают друг с другом»


А. Иванов
Сибирь и Северная Америка были единым целым более миллиарда лет назад


П. Амнуэль
Одиночество во Вселенной


Р. Фишман
Детективы каменного века


О. Макаров
Животные, которые дарят надежду







Главная / Новости науки версия для печати

Новооткрытые рыбьи гены помогли понять, почему первые четвероногие были многопалыми


Рис. 1. У древнейшего позвоночного животного с настоящими пальцами — акантостеги — было по 8 пальцев на передних конечностях (фото слева и верхний рисунок). В дальнейшем число пальцев сократилось до 6–7 (у ихтиостеги, средний рисунок), шести (у тулерпетона) и, наконец, до пяти (у большинства ископаемых и современных четвероногих; на нижнем рисунке — эриопс). Изображения с сайта evolbiol.ru
Рис. 1. У древнейшего позвоночного животного с настоящими пальцами — акантостеги — было по 8 пальцев на передних конечностях (фото слева и верхний рисунок). В дальнейшем число пальцев сократилось до 6–7 (у ихтиостеги, средний рисунок), шести (у тулерпетона) и, наконец, до пяти (у большинства ископаемых и современных четвероногих; на нижнем рисунке — эриопс). Изображения с сайта evolbiol.ru

Международная команда исследователей обнаружила неизвестное ранее семейство генов, необходимых для развития плавников у рыб и получивших название actinodin (and). У наземных позвоночных гены and отсутствуют. По-видимому, они были утрачены на ранних этапах эволюции четвероногих. Отключение генов and у рыб ведет к изменениям в работе ряда ключевых генов-регуляторов, которые есть не только у рыб, но и у четвероногих и от которых зависит передне-задняя полярность зачатка конечности (будь то плавник или нога). Похожие изменения в работе этих генов-регуляторов у четвероногих, возникающие в результате некоторых мутаций, приводят к полидактилии (многопалости). Возможно, утрата генов and древнейшими четвероногими создала предпосылки для развития у них большого числа (до 8) почти одинаковых пальцев. В дальнейшем у четвероногих восстановился исходный, «нормальный» характер работы генов-регуляторов, причем теперь их работа уже не зависела от утраченных генов and. Результатом этого могло стать сокращение числа пальцев до пяти.

Ранние этапы формирования парных плавников рыб и ног наземных позвоночных (четвероногих, или тетрапод) очень похожи и регулируются одними и теми же генами. Различия появляются на более поздних этапах эмбрионального развития. Одно из этих различий связано с судьбой апикального эктодермального гребня (apical ectodermal ridge, AER) — полоски эпителия, окаймляющей зачаток конечности. У тетрапод AER исчезает после образования зачатков костей, а у рыб он растет и превращается в плавниковую складку. В этой складке формируются актинотрихии — тонкие белковые нити, придающие зачатку плавника форму и упругость. Вдоль этих нитей внутрь плавниковой складки мигрируют клетки мезенхимы, из которых затем образуются лепидотрихии (прочные плавниковые лучи, которые могут окостеневать).

Вещество, из которого состоят актинотрихии, называют «эластоидином». По своим физическим свойствам эластоидин представляет собой нечто среднее между коллагеном и эластином. Было известно, что эластоидин — это смесь коллагена и каких-то других белков, но каких именно — до сих пор оставалось загадкой.

Биологам из Канады, Великобритании, Сингапура и Германии удалось идентифицировать еще два белковых компонента эластоидина, а также два гена, которые их кодируют. Гены получили название actinodin (сокращенно and) 1 и 2.

Исследование проводилось на эмбрионах рыбки данио рерио. Ее геном прочтен, поэтому нуклеотидные последовательности генов and1 и and2 уже были известны, но никто не знал, зачем эти гены нужны.

Оказалось, что в ходе развития эмбриона гены and1 и and2 включаются как раз там, где начинают формироваться актинотрихии. В хвостовой плавниковой складке, которая окаймляет заднюю часть эмбриона, работа генов actinodin стартует через сутки после оплодотворения, а в зачатках грудных плавников — примерно на 12 часов позже. Актинотрихии становятся заметны в развивающихся плавниках вскоре после включения генов actinodin. У взрослых рыб гены actinodin также участвуют в регенерации отрезанных плавников. При помощи антител к белковым продуктам генов actinodin (белкам And1 и And2) авторы показали, что эти белки действительно входят в состав актинотрихий.

Порывшись в генетических базах данных, авторы обнаружили, что гены actinodin, по-видимому, есть у всех рыб — как костных, так и хрящевых, но напрочь отсутствуют у четвероногих. Иными словами, у всех позвоночных, имеющих актинотрихии, есть также и гены actinodin, а у кого нет актинотрихий, у того нет и этих генов. Скорее всего, это означает, что утрата генов actinodin произошла на самых ранних этапах эволюции тетрапод и была непосредственно связана с утратой актинотрихий.

Действительно ли потеря генов actinodin может приводить к утрате актинотрихий? Чтобы убедиться в этом, авторы провели серию опытов, в которых гены and1 и and2 отключались (по одному или оба сразу) при помощи инъекции специальных молекул, блокирующих работу гена (см. Морфолино). Отключение каждого из генов по отдельности не привело к серьезным нарушениям развития плавников, однако при одновременном отключении обоих генов актинотрихии в плавниках не сформировались (рис. 2). При этом и сами зачатки плавников, особенно грудных, развивались хуже, чем у контрольных эмбрионов. В частности, отключение генов привело к нарушению миграции в плавниковую складку клеток мезенхимы, из которых должны сформироваться лепидотрихии (плавниковые лучи). В зачатках грудных плавников клетки мезенхимы, по-видимому, вообще не могут проникнуть в плавниковую складку, если оба гена actinodin отключены и актинотрихии не сформированы. В хвостовом плавнике данный эффект менее силен, поэтому лепидотрихии могут там сформироваться даже при отключенных генах actinodin.

Рис. 2. Отключение генов actinodin блокирует формирование актинотрихий. На фотографиях изображена хвостовая часть эмбриона данио рерио (вид сбоку). Черными линиями показана ориентация актинотрихий. Слева вверху: отключен ген and1, справа верху — отключен ген and2, слева внизу — контроль (оба гена работают нормально), справа внизу — оба гена отключены. NT — нотохорд (зачаток позвоночника). Изображение из обсуждаемой статьи в Nature
Рис. 2. Отключение генов actinodin блокирует формирование актинотрихий. На фотографиях изображена хвостовая часть эмбриона данио рерио (вид сбоку). Черными линиями показана ориентация актинотрихий. Слева вверху: отключен ген and1, справа верху — отключен ген and2, слева внизу — контроль (оба гена работают нормально), справа внизу — оба гена отключены. NT — нотохорд (зачаток позвоночника). Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

Это позволяет предположить, что потеря генов actinodin древними четвероногими могла привести к мгновенной утрате лепидотрихий в парных конечностях, однако в хвостовом плавнике лепидотрихии могли сохраниться. Именно так и обстоит дело у древнейших четвероногих, обнаруженных в ископаемой летописи, таких как акантостега и ихтиостега. У этих животных уже не было плавниковых лучей на парных конечностях, но они еще сохранялись в плавниковой складке, окаймлявшей хвост. У более ранних переходных форм, таких как тиктаалик, плавниковые лучи на парных конечностях имелись (рис. 3).

Рис. 3. Схема эволюции конечностей при переходе от рыб к четвероногим. Рисунок с сайта ncse.com
Рис. 3. Схема эволюции конечностей при переходе от рыб к четвероногим. Рисунок с сайта ncse.com

Самые важные результаты были получены в ходе изучения того влияния, которое оказывают гены actinodin на работу других генов, управляющих развитием конечностей. Оказалось, что отключение генов actinodin вызывает целый каскад изменений в работе ключевых генов-регуляторов.

Во-первых, у эмбрионов с выключенными генами actinodin в зачатках грудных плавников оказалась понижена активность гена fgf8a, который кодирует «фактор роста фибробластов», необходимый для роста конечности. Ген fgf8a активирует два других гена — erm и pea3. Как и следовало ожидать, активность этих двух генов тоже оказалась пониженной у эмбрионов с отключенными генами actinodin.

Высокая активность генов erm и pea3 необходима для правильной работы двух ключевых генов-регуляторов, определяющих передне-заднюю полярность конечности: hoxd13a (одного из Hox-генов) и shha (sonic hedgehog). Эти гены в норме должны работать только у заднего края зачатка конечности, так чтобы концентрация кодируемых ими белков постепенно росла спереди назад. Именно этот градиент концентрации регуляторных молекул у четвероногих задает идентичность пальцев: мизинец формируется там, где концентрация белкового продукта гена sonic hedgehog максимальна, а большой палец — там, где она минимальна.

Рис. 4. Зачатки грудного плавника у эмбрионов данио рерио с отключенными генами actinodin (слева) и у контрольных эмбрионов (справа). Изображение из обсуждаемой статьи в Nature
Рис. 4. Зачатки грудного плавника у эмбрионов данио рерио с отключенными генами actinodin (слева) и у контрольных эмбрионов (справа). Видны темноокрашенные области экспрессии ключевых регуляторных генов, задающих передне-заднюю полярность конечности (вверху — ген hoxd13a, внизу — ssha (sonic hedgehog)). Видно, что области работы этих генов у эмбрионов с отключенными генами actinodin расширены в переднем направлении (передний конец эмбриона на фотографиях — слева). У четвероногих подобные нарушения ведут к сглаживанию передне-задней полярности конечностей и к многопалости. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

У эмбрионов с отключенными генами actinodin области экспрессии генов hoxd13a и shha в зачатках плавников оказались расширены в переднем направлении (рис. 4). Непосредственной причиной этого может быть пониженная активность генов erm и pea3, о которых говорилось выше, а также резко ослабленная работа еще одного гена — gli3. Последний ген интересен тем, что мутации в нём у четвероногих (например, мышей) могут приводить как раз к такому изменению экспрессии hoxd13a и shha, которое наблюдается у эмбрионов рыб с отключенными генами actinodin. Результатом таких изменений у четвероногих становится размывание передне-задней полярности конечности и, как следствие, «лишние» пальцы, похожие друг на друга.

Всё это позволяет предположить, что утрата генов actinodin первыми четвероногими могла не только избавить их от плавниковых лучей, ставшими ненужными, но и повлиять на эволюцию пальцев. Если у предковых рыб, давших начало четвероногим, система взаимодействий между регуляторными генами была примерно такой же, как у данио, то утрата генов actinodin должна была привести к расширению областей экспрессии hoxd13a и shha. Это создало предпосылки для формирования множества одинаковых пальцев, что мы и наблюдаем у восьмипалой актиностеги. Но в дальнейшем, очевидно, области экспрессии hoxd13a и shha «вернулись на место». Эти гены вышли из-под контроля утраченных генов actinodin и снова стали экспрессироваться только на задних краях зачатков конечностей, как это наблюдается у современных рыб и четвероногих. Это могло автоматически привести к сокращению числа пальцев и к их дифференцировке, что мы и наблюдаем у ископаемых тетрапод: у ихтиостеги было 6–7 пальцев, у тулерпетона – 6, а у их более поздних потомков осталось только 5.

Источник: Jing Zhang, Purva Wagh, Danielle Guay, Luis Sanchez-Pulido, Bhaja K. Padhi, Vladimir Korzh, Miguel A. Andrade-Navarro, Marie-Andrée Akimenko. Loss of fish actinotrichia proteins and the fin-to-limb transition // Nature. Advance online publication 23 June 2010.

См. также о выходе рыб на сушу:
1) Как рыбы научились ходить, «Элементы», 11.04.2006.
2) Первые позвоночные начали осваивать сушу раньше, чем предполагалось, «Элементы», 01.07.2008.
3) Следы древнейших четвероногих животных вынуждают пересмотреть эволюцию амфибий, «Элементы», 25.01.2010.

О молекулярных механизмах развития конечностей:
1) Сделан еще один шаг к пониманию механизмов регенерации, «Элементы», 06.11.2007.
2) Разгадан механизм регенерации конечностей, «Элементы», 27.11.2006.

Александр Марков


Комментировать



Последние новости: ГенетикаМолекулярная биологияЭволюцияПалеонтологияАлександр Марков

23.07
Млекопитающие с относительно крупным мозгом более уязвимы
11.07
Архаичные гены костных ганоидов разнообразнее, чем у более молодых групп позвоночных
7.07
В бирманском янтаре мелового периода найден вымерший убийца пауков
5.07
Биоразнообразие стимулирует собственный рост
28.06
Подростки лучше учатся на положительном опыте, чем на отрицательном
21.06
Кишечная бактерия влияет на социальное поведение мышей
15.06
Получение генов пектиназ от протеобактерий резко ускорило видообразование палочников
14.06
Полиплоидность предков эукариот — ключ к пониманию происхождения митоза и мейоза
10.06
Удалось выяснить, почему рак может уснуть и проснуться через много лет
8.06
Новые древние остатки людей с острова Флорес говорят о родстве «хоббитов» с эректусами

Научная картинка дня


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Аркадий Курамшин, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Антон Морковин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Павел Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Александр Храмов, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2016 VII, VI, V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия