Ученые проследили за эволюцией генетических программ, которые контролируют развитие основных органов в человеке и других млекопитающих. Проанализировав транскриптомы разных видов, они обнаружили, что по мере развития органов активность генов в них становится более разнообразной: на начальных этапах работает отрицательный отбор, а на более поздних — положительный. Результаты исследования, опубликованного в Nature, согласуются с гипотезой песочных часов, проверенной ранее на целых эмбрионах.
Генетические основы эволюции эмбриогенеза изучены довольно слабо. В 19 веке Карл фон Бэр предположил, что в ходе развития эмбрионы разных видов животных обосабливаются друг от друга, постепенно приобретая свои уникальные черты. На основе современных данных этот закон был переработан в гипотезу песочных часов. Она предполагает короткую консервативную стадию в развитии животных. На этой стадии все эмбрионы очень друг на друга похожи, а до и после нее количество возможных межвидовых вариаций гораздо шире. Анализ транскриптомов целых эмбрионов показал, что эта тенденция описывает не только внешние признаки, но и лежащую в их основе активность генов: в определенный момент активность генов между разными видов «синхронизируется». По идее, это общее правило должно быть справедливо и для отдельных органов, закладка которых стартует примерно в «горлышке» песочных часов. Но детальных исследований на эту тему еще не проводилось. Кроме того, разные органы могут иметь разную степень консервативности развития.
Маргарида Карсодо-Морейра (Margarida Сardoso-Moreira) из Университета Гейдельберга и ее коллеги проследили за динамикой развития органов у разных млекопитающих. Авторы статьи проанализировали активность генов сразу в трех «измерениях»: между разными видами, разными органами и разными стадиями развития. Среди подопытных оказались человек, макака, крыса, мышь, кролик, опоссум и курица (птица выступала в качестве контроля), для которых сделали транскриптомы органов, происходящих от всех трех зародышевых листков: мозжечка и больших полушарий (эктодерма), печени (эндодерма), а также сердца с почками, яичниками и семенниками, ведущими свое начало от мезодермального листка. Поскольку длительность развития эмбрионов у каждого из животных своя, для повременного сравнения транскриптомы разложили по 23 универсальным стадиям Карнеги, которые учитывают не время с зачатия или размер, а наличие у эмбриона тех или иных анатомических структур.
Исследователи сравнили полученные транскриптомы между собой и посмотрели на то, чем объясняется разница между образцами. Анализ методом главных компонент показал, что в первую очередь на вид транскриптома влияет то, из какого зародышевого листка сформировался исследуемый образец. Во вторую очередь играет роль стадия развития органа, а уже только потом — то, из какого организма он был взят. При этом все ранние образцы больше похожи друг на друга, чем поздние, что вполне соответствует изначальной гипотезе. Кроме того, авторы выяснили, что гены, активные на ранней стадии органогенеза, чувствительней к функциональным поломкам, причем среди них больше консервативных и важных генов, отключение которых влечет за собой смерть эмбриона. В то же время среди «поздних» генов доля находящихся под положительным отбором больше.
Дополнительно исследователи сверили программы закладки отдельных органов среди видов. Ключевые события в них могут совпадать по стадиям или, наоборот, происходить в разное время. В качестве явного примера такой гетерохронии можно привести беспомощных голубят, у которых созревание органов продолжается и после рождения, в то время как цыплята активны с первого дня жизни — у последних формирование органов уже завершено к моменту появления из яйца. Исследователи сравнили «траектории» активности генов между исследованными млекопитающими и выяснили, что больше всего временных сдвигов допускается при формировании половых органов и печени, а мозги в этом плане наиболее консервативны.
Недавно вышло исследование, посвященное эволюции мозга приматов. Результаты показали, что павианы и колобусы, представители двух разных ветвей мартышковых, получили сходного размера и пропорций мозги независимо.
Вера Мухина