У всех нас руки из... клоаки: почему генетическая программа ваших пальцев — это копия кода, управлявшего клоакой

Великий выход на сушу — один из ключевых сюжетов в истории жизни на Земле. Мы представляем себе эту картину так: рыбоподобное существо, выползает из воды на своих мясистых плавниках, которые со временем превратятся в ноги. Как именно природа осуществила этот переход на генетическом уровне, оставалось предметом активных исследований.

Ответ кроется в генетике. Точнее, в том, как гены управляются. Ученые давно знали, что за формирование конечностей отвечают особые гены-архитекторы. Но недавнее исследование показало, что инструкция по сборке пальцев была «позаимствована» у совершенно другой, куда более древней части тела. И эта связь оказалась настолько странной, что изменила наши представления об эволюционной изобретательности.

Гены-архитекторы и их инструкции

Чтобы понять суть открытия, необходимо рассмотреть конкретные гены. Это гены семейства Hox. Их основная функция — определять базовый план строения тела животного в процессе его развития. Они задают клеткам эмбриона пространственные «координаты» по оси от головы до хвоста, гарантируя, что различные части тела формируются в правильных местах.

Сами по себе Hox-гены неактивны. Их работа требует точного управления. Это управление обеспечивают обширные участки ДНК, расположенные рядом с самими генами, но не кодирующие белки. Эти участки содержат множество регуляторных элементов, называемых энхансерами. Энхансер — это короткая последовательность ДНК, которая запускает активность определенного гена в определенной группе клеток и в определенное время. Совокупность таких энхансеров формирует сложный «регуляторный ландшафт».

У млекопитающих, включая человека, за развитие конечностей отвечает кластер генов HoxD. Его работа контролируется двумя такими регуляторными ландшафтами:

1. Один активирует гены HoxD для формирования плеча и предплечья.
2. Второй — включает гены, ответственные за развитие запястья и, что критически важно, пальцев.

Именно этот второй ландшафт, управляющий генами «пальцев», и стал объектом исследования.

Что, если у рыбы убрать «руководство по сборке пальцев»?

Здесь начинается самое интересное. У рыбки данио-рерио, популярного модельного организма, есть точно такая же регуляторная область ДНК. Но у данио-рерио нет и никогда не было пальцев.

Возник логичный вопрос: зачем рыбе генетическая инструкция, которой она, казалось бы, не пользуется? Возможно, она управляет развитием тонких косточек в ее плавниках?

Чтобы это проверить, ученые провели радикальный эксперимент. С помощью технологии CRISPR они просто вырезали этот участок ДНК из генома рыбок. Затем они стали наблюдать за развитием эмбрионов, ожидая увидеть деформированные или недоразвитые плавники.

Но плавники остались в полном порядке.

Это был совсем не тот результат, который ожидали. Вместо дефектов плавника ученые обнаружили проблему в совершенно другой части тела эмбриона.

Неожиданный поворот: всё дело в клоаке

У рыбок, лишенных «инструкции для пальцев», нарушилось формирование клоаки. Что такое клоака? Это единое отверстие, которое у большинства позвоночных (рыб, амфибий, рептилий, птиц) служит для вывода продуктов пищеварительной, выделительной и половой систем. Это очень древняя структура, появившаяся за сотни миллионов лет до пальцев.

Оказалось, что у рыб эта регуляторная область ДНК целиком и полностью занята управлением генами Hox при формировании клоаки. К плавникам она не имела почти никакого отношения.

Ученые сразу провели параллель с млекопитающими. Хотя у нас нет клоаки во взрослом состоянии (в ходе эмбрионального развития она разделяется на отдельные системы), та же самая регуляторная ДНК у мышей активна не только в развивающихся пальцах, но и в области мочеполовой системы — прямом наследнике эмбриональной клоаки.

Фрагменты сложились в единую картину.

Эволюционное «заимствование»: как старый механизм получил новую работу

Теперь мы можем восстановить ход событий.

1. Древняя основа. Сотни миллионов лет назад у наших общих с рыбами предков существовал генетический механизм, управляемый определенной областью ДНК. Его единственной задачей было корректно сформировать клоаку.
2. Появление новой задачи. Когда предки четвероногих начали осваивать сушу, перед эволюцией встала новая амбициозная задача: создать из плавника сложную структуру с подвижными пальцами для опоры и передвижения.
3. Экономное решение. Вместо того чтобы создавать совершенно новую систему управления для генов Hox в конечностях, эволюция пошла по пути наименьшего сопротивления. Она «скопировала» и применила уже существующий, отлаженный и надежный механизм, который находился рядом — механизм управления развитием клоаки.

Этот процесс называется кооптацией — приспособлением существующей структуры или гена для выполнения новой функции. Но в данном случае эволюция кооптировала не один ген и не один энхансер. Она позаимствовала целый регуляторный ландшафт — всю панель управления целиком.

Это объясняет, почему сегодня у млекопитающих один и тот же участок ДНК отвечает за две, казалось бы, никак не связанные части тела. Это не ошибка. Это эхо древнего эволюционного события, элегантного и экономного решения, которое позволило нашим предкам обрести пальцы и в итоге выйти на сушу.