У человека и птиц один генетический чертеж лица. Биологи выяснили, почему мы выглядим так по-разному

На анатомическом уровне форма лицевого отдела черепа у птиц и млекопитающих кардинально различается. У одних видов в процессе эволюции сформировался клюв, у других — морда со сложным обонятельным аппаратом и челюстями. Однако генетические исследования показывают биологический парадокс: у всех этих животных за формирование лица отвечают одни и те же базовые гены и химические сигналы. Биологи долгое время пытались понять, как идентичный генетический набор приводит к формированию совершенно разных анатомических структур.

Чтобы решить эту проблему, международная группа исследователей из Института эволюционной биологии Макса Планка и Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли провела сравнительное исследование. Они детально изучили, как формируется лицо у эмбрионов мыши и курицы на тех этапах развития, когда их анатомия только начинает расходиться. Ученые применили технологии анализа на уровне одиночных клеток, это позволило им понять саму механику работы генома.

Механика клеточного взаимодействия: эктодерма и мезенхима

Лицо эмбриона не появляется в готовом виде. Оно формируется из нескольких независимых тканевых выступов, которые со временем растут и сливаются воедино. Этот процесс контролируется взаимодействием двух основных типов тканей. Первый тип — эктодерма, поверхностный клеточный слой. Второй тип — мезенхима, внутренний массив клеток, из которого впоследствии формируются кости, хрящи и соединительная ткань.

Эктодерма выполняет роль источника управляющих сигналов. Она выделяет специфические белки — морфогены, которые распространяются в межклеточном пространстве. Основные из них известны в биологии под названиями Shh, Fgf8, Bmp4 и Wnt5a. Клетки мезенхимы улавливают эти химические сигналы с помощью рецепторов на своей поверхности и в ответ активируют процессы деления, перемещения или специализации.

Главным центром, который выделяет эти белки, считалась так называемая фронтоназальная эктодермальная зона. Предыдущие модели описывали ее структуру достаточно просто: предполагалось, что в ней есть граница, по одну сторону от которой выделяется белок Shh, а по другую — Fgf8. Однако новые технологии позволили рассмотреть этот процесс гораздо детальнее.

Оказалось, что структура сигнальных центров у птиц и млекопитающих отличается. У развивающихся эмбрионов мыши исследователи обнаружили отдельный, уникальный участок на краях обонятельной ямки, где активно экспрессируются белки Shh и Wnt5a. У эмбрионов курицы такой зоны нет. Наличие этого дополнительного источника сигналов у млекопитающих объясняет, как им удается формировать сложный, вытянутый нос с развитой системой обоняния, тогда как у птиц формируется плотный клюв.

Транскриптомика и консервативность сигналов

Чтобы понять, как именно ведут себя клетки, ученые использовали метод секвенирования РНК одиночных клеток. Эта технология позволяет взять фрагмент ткани, разделить его на отдельные клетки и посмотреть, какие именно гены активны в каждой из них в конкретный момент времени.

Сравнив данные мыши и курицы, биологи выявили неожиданную закономерность. Клетки эктодермы у обоих видов оказались крайне схожими по своей активности. Поверхностный слой клеток, выделяющий сигнальные белки, функционирует почти идентично как у млекопитающих, так и у птиц. Базовые химические сигналы, которые поступают в ткани, сохранились в ходе эволюции практически без изменений.

Резкое различие обнаружилось в мезенхиме. Внутренние клетки, которые непосредственно формируют физическую структуру лица, демонстрируют совершенно разную активность у птиц и млекопитающих. Получая одни и те же сигналы от эктодермы, мезенхима мыши и мезенхима курицы запускают разные наборы генов. Более того, клетки мезенхимы сами начинают локально производить дополнительные химические сигналы, усложняя процесс формирования тканей. Разница в анатомии обусловлена не тем, какие сигналы подаются, а тем, как внутренние ткани их интерпретируют.

Роль энхансеров в эволюции форм

Причина различной реакции клеток кроется в механизмах регуляции ДНК. Геном любого организма состоит не только из генов, содержащих информацию о белках. Огромная часть ДНК является некодирующей. В этой некодирующей части располагаются регуляторные элементы — энхансеры. Их функция заключается в том, чтобы контролировать активность генов: они определяют, в какой момент времени, в какой именно ткани и с какой интенсивностью должен заработать тот или иной ген.

Чтобы изучить эти регуляторные элементы, исследователи применили метод анализа доступности хроматина (scATAC-seq). ДНК в ядре клетки плотно упакована. Чтобы ген или регуляторный элемент мог сработать, участок ДНК должен распаковаться, то есть стать физически доступным для считывания. Метод позволил ученым составить карту всех открытых, активных участков ДНК в тысячах отдельных клеток развивающегося лица.

Сравнение этих карт показало масштабы эволюционных изменений. Если сами гены у мыши и курицы одинаковы, то их регуляторные элементы совпадают лишь в незначительной степени. В клетках эктодермы функционально схожими оказались около 9% энхансеров. В клетках мезенхимы уровень совпадения составил всего от 2% до 4%.

Это означает, что эволюция формирует новые анатомические черты путем изменения некодирующей части ДНК. Ярким примером в исследовании стал ген Wnt5a, который необходим для направленного роста тканей и формирования вытянутой формы морды. Ученые обнаружили у мышей специфический регуляторный элемент (энхансер mm2345), расположенный далеко от самого гена, но активирующий его строго в определенных участках развивающегося носа. В геноме курицы этот элемент отсутствует. При этом у курицы в той же анатомической зоне работают другие энхансеры, которые направляют развитие мезенхимы по пути формирования клюва.

Таким образом, один и тот же ген управляется совершенно разными регуляторными участками. Изменение этих участков в процессе эволюции позволяет менять форму черепа, не нарушая работоспособность самого базового гена.

Значение для генетики человека и медицины

Открытия, сделанные на эмбрионах мыши и курицы, позволяют лучше понять механизмы развития человеческого лица и причины возникновения врожденных патологий. Чтобы проверить это, команда ученых сопоставила полученные карты активности регуляторных элементов с базами данных GWAS.

GWAS (полногеномный поиск ассоциаций) — это исследования, в которых анализируются геномы сотен тысяч людей с целью выявления связи между конкретными генетическими вариациями и физическими признаками. Биологи взяли данные о генетических мутациях, которые связаны с индивидуальными особенностями строения лица человека, а также с такими серьезными дефектами, как расщепление неба и губы.

При наложении данных выяснилось, что подавляющее большинство этих мутаций у человека располагается не в самих генах, отвечающих за развитие лица, а в некодирующих областях — тех самых энхансерах, которые были идентифицированы в ходе исследования на животных.

Эта закономерность имеет биологическое обоснование. Мутация в самом гене, таком как Shh или Bmp4, чаще всего фатальна для эмбриона, так как эти белки участвуют в формировании множества жизненно важных органов, включая мозг и сердце. Однако мутация в энхансере имеет локальный эффект. Она не ломает сам белок, а лишь изменяет время или место его выработки в конкретной области лица. Это приводит либо к формированию индивидуальных черт (например, изменению формы подбородка или посадки глаз), либо, при более серьезных сбоях регуляции, к локальным анатомическим дефектам.

Интеграция методов анализа одиночных клеток и доступности хроматина позволила доказать, что морфологическое разнообразие амниот базируется на гибкости регуляторных систем. Эволюция анатомических форм происходит не за счет появления нового генетического материала, а за счет постоянной рекомбинации некодирующих участков ДНК. Именно эти участки определяют, как древние и консервативные белковые механизмы будут применяться для построения новых биологических структур в процессе развития каждого отдельного вида.

Источник: Science Advances