Ученые из Флоридского университета определили генетическую причину отсутствия у змей лап
Предки современных змей 150 миллионов лет назад передвигались, активно используя конечности. Через несколько десятков миллионов лет назад конечности у змей исчезли. До настоящего момента причина этой потери была неясна, хотя ученые пытались найти ответ на вопрос «куда пропали лапы у змей?» в течение многих лет. В 90-х годах прошлого века за решение этого вопроса решила взяться команда ученых из Флоридского университета.
21 октября ученые опубликовали результаты своей работы. Как оказалось, потеря лап — это мутация, связанная с изменением конкретного гена-усилителя (ген-модификатор, усиливающий фенотипическое проявление другого гена). В случае со змеями изменениям подвергся ген, контролирующий активность других генов, ответственных за формирование конечностей.
«Это очень интересно — знать, что определенные изменения в геноме влияют на исчезновение конечностей», — говорит один из участников исследований.
Открытие сделали Мартин Кон (Martin Cohn), профессор молекулярной генетики и микробиологии, и аспирантка Франциска Лил (Francisca Leal). Ученые исследовали работу генов у развивающегося эмбриона питона, а также сравнивали геном змей и ящериц. Интересно, что у кобр и гадюк вообще нет конечностей, в то время, как у питонов и боа есть рудиментарные остатки лап.
Эти выросты — все, что осталось от лап у питона
Еще в 1999 году Кон с коллегами поняли, что ряд наборов генов змей работает немного по-другому, чем у других рептилий. Использование специфических методов работы с ДНК рептилий привело к тому, что у эмбрионов змей начали расти конечности. К сожалению, 17 лет назад ученые не имели тех возможностей по изучению ДНК живых существ, какие есть у специалистов сейчас. Тем не менее, в 2003 году ученые смогли понять, что активность одного из участков ДНК играет важную роль в формировании конечностей у ящериц. Есть этот участок и у змей. Специалисты продолжали изучать особенности работы этого участка ДНК и с течением времени получили достаточно большое количество данных об особенностях его работы.
Как оказалось, мутация гена-усилителя, которая привела к потере лап змеями не одна — их сразу три. Эффект этих мутаций кумулятивный, они убрали в гене-усилителе участок, который носит название Sonic hedgehog (сверхзвуковой еж). Этот участок известен, как место связи транскрипционного фактора. Усилитель отвечает за включение участка Sonic hedgehog, который, в свою очередь, отвечает за формирование конечностей. Кумулятивный эффект трех мутаций приводит к тому, что этот участок либо вовсе не включается (у кобр и гадюк), либо включается на очень короткое время, после чего отключается навсегда.
Как оказалось, в геноме питона и боа есть весь набор инструкций для формирования лап. Но, поскольку во время развития эмбриона участок генома, который и отвечает за развитие конечностей, почти не работает, то у боа и питонов формируются лишь зачатки лап.
Другие гены-усилители у боа и питонов по-прежнему остаются в ДНК, включая те из них, что отвечают за активацию гена Hoxd13, при помощи которого происходит развитие конечностей. На ранних этапах развития у эмбриона питона есть клеточные источники полного скелета лап, включая кости пальцев. К моменту выхода из яйца у молодых питонов из всего этого остаются только небольшие рудименты бедренных костей, и больше ничего.
«Результаты наших исследований показывают, что формирование конечностей у питона заходит гораздо дальше, чем мы считали до настоящего момента. Для того, чтобы у эмбриона появились лапы, в геноме питона есть все необходимое. Но процесс формирования скелета просто не завершается», заявил Кон.
Вторая команда ученых, под руководством Акселя Визеля из Национальной лаборатории Лоренса в Беркли, Калифорния, решила проверить, что произойдет, если упомянутый выше ген-усилитель мышей заменить на аналогичный ген змей. Для этого использовалась методика редактирования генома, известная, как CRISPR-cas9. Для того, чтобы удостовериться в действии гена-усилителя змей, мышам пересадили и усилитель рыбы и человека.
Как оказалось, в двух последних случаях конечности у мышей формировались вполне нормально. А вот при использовании гена-усилителя змей вместо нормальных конечностей у зародышей мышей формировались лишь бугорки. После того, как ученые встроили недостающие фрагменты ДНК в усилитель, конечности у мышей стали формироваться нормально.
20 лет назад палеонтологи нашли окаменелые останки предков современных змей, у которых были конечности. Некоторые ученые решили, что утеря змеями ног случилась позже, чем считалось ранее. В то же время, другие специалисты говорили, что некоторые виды (тупиковые ветви) предков змей просто эволюционировали, получив свои лапы обратно. Результаты исследований современных ученых показывают, что вторая группа ученых, вероятно, права.
Насколько можно судить, говорят специалисты, эволюционный механизм не только мощный, но еще и гибкий. Он позволяет некоторым существам повторно развивать утраченные некогда органы и функции организма.
