Ученые впервые проследили за формированием плавников и обнаружили, что пальцы наших рук образуются из тех же структур, из которых у рыб появляются плавниковые лучи. Превращение плавника в конечность четвероногого потребовало изменений в миграции клеток-предшественниц разных видов костной ткани. Об этом рассказывает статья, опубликованная журналом Nature.
Выход животных на сушу сопровождался многочисленными эволюционными трансформациями, понимание которых остается одной из самых интересных тем биологии. Во многом неясным остается вопрос превращения рыбьих плавников в конечности четвероногих позвоночных, прежде всего — появление кисти и пальцев на их дистальной (дальней от основания) стороне. Новые аспекты этого процесса раскрывает работа, представленная профессором Чикагского университета Нилом Шубиным (Neil Shubin) и его коллегами.
Авторы сосредоточились на кластерах генов HoxA и HoxD, определяющих развитие конечностей. Кластеры этих генов возникли в результате дупликации, поэтому они содержат версии очень похожих генов, которые в биологии называются паралогами. Несмотря на похожесть, паралоги в разных кластерах могут выполнять немного разные функции. Так, работа HoxA необходима для нормального формирования проксимальных (ближних к основанию) частей свободной конечности (стило- и зейгоподия), а HoxD — дистальных (автоподия), включая кисть. Различные эксперименты на мышах с «нокаутированными» паралогами генов этих двух групп (прежде всего, Hox13) показали глубокие нарушения развития конечностей. Однако на рыбах подобные эксперименты прежде не проводились, хотя именно они могли бы указать на возможные механизмы трансформации одного типа конечностей в другие и появление у наземных позвоночных животных кистей, стоп и пальцев.
Нил Шубин с коллегами использовали в качестве модельного объекта рыбок данио-рерио. Ученые получили с помощью метода CRISPR/Cas9 линии животных с отключенными паралогами Hox13 (поодиночке или вместе). Затем исследователи проследили за развитием мутантных животных, а также за развитием гибридов, получившихся от их скрещиваний с представителями «дикого» типа. Оказалось, что нехватка работоспособного гена ведет к неспособности сформировать нормальные костистые плавниковые лучи. Кроме того, используя флуоресцентные метки, авторы построили «карту зачатков» (Fate Mapping) — схему раннего эмбриона с указанием положения участков, которые впоследствии разовьются в определенные органы и ткани взрослого организма.
Эти эксперименты позволили найти конкретные группы клеток, из которых образуются плавники рыб и конечности четвероногих, и показать, что пальцы появляются из тех же структур, что и лучи в плавниках костистых рыб.
Ученые предполагают, что образование плавниковых лучей происходит под действием паралогов гена Hox13. Он может стимулировать миграцию клеток-предшественниц эндохондриальной (то есть возникающей внутри хряща) костной ткани в сторону дальнего (дистального) конца будущей конечности. Согласно этой гипотезе, нарушение работы Hox13 приводит к отсутствию клеток-предшественниц в зачатке конечности, в результате чего взрослые рыбы несут «безлучевые» плавники, состоящие лишь из покровных (кожных) костей, возникающих без промежуточной хрящевой стадии.
В отличие от этого, кисть и пальцы четвероногих состоят лишь из эндохондриальных костей и их эмбриогенез требует более интенсивной миграции клеток-предшественниц эндохондриальной ткани. «Два важнейших тренда, лежащие в основе перехода от плавников к конечностям четвероногих, заключаются в усилении эндохондриальных и потере кожных костей, — резюмируют авторы. —
Эти тренды (...) прослеживаются и на генном, и на клеточном уровне».
Роман Фишман