Плавник рогозуба рассказал о появлении пальцев у четвероногих

У четвероногих за образование пальцев и остальных элементов скелета конечностей отвечают две разные программы развития, сообщается в Science Advances. К такому выводу пришли биологи, изучив эмбриональное развитие плавников рогозуба — австралийской двоякодышащей рыбы, наиболее близкой по строению к тем двоякодышащим, которые жили на планете в период появления наземных позвоночных. У рогозуба изменения экспрессии генов, нужные для формирования пальцев, не происходят.

Примерно 380 миллионов лет назад, в девоне, от лопастеперых рыб произошли наземные четвероногие позвоночные (Tetrapoda). Как следует из названия, у них в отличие от рыб уже были ноги, а не плавники. Как из конечностей одного типа возникли конечности совсем другого типа и плана строения, не вполне ясно. О происхождении их проксимальных (более близких к туловищу) элементов — плечевых, локтевых, лучевых костей и их функциональных аналогов в задних конечностях — известно больше, а о том, как и из чего возникли дистальные (удаленные от основания) элементы — пальцы, понятно немногое. Интересно, что хотя у всех современных четвероногих изначально по пять пальцев, у ряда ископаемых форм, например у тулерпетона, их было шесть, а у кого-то даже больше.

По одной из теорий, которую поддерживает, в частности, известный специалист по палеонтологии и эволюционной биологии развития Нил Шубин, пальцы возникли из радиалий — костных плавниковых лучей. Существуют некоторые ее доказательства: например, если у эмбрионов рыб данио-рерио подавить работу гена Hox13, который у четвероногих отвечает за развитие пальцев, то радиалии в плавниках данио не появятся, как если бы они были пальцами. Та же теория гласит, что начало пальцам давал не каждый плавниковый луч, а только те, что находятся по заднюю (удаленную от головы рыбы) сторону от оси конечности и называются постаксиальными. То есть кисть или стопа наземного позвоночного — это бывшая задняя сторона плавника лопастеперой рыбы.

Проблема в том, что исследования, которые предоставляют данные в пользу такого варианта происхождения пальцев, проводили на лучеперых рыбах (в том числе данио-рерио), которые эволюционно весьма далеки от предков четвероногих. Есть вероятность, что у них конечности развиваются по-другому и не функционируют некоторые регуляторные пути, которые могли бы работать у древних лопастеперых. Поэтому биологи из Австралии, Германии и Италии под руководством Йоста Волтеринга (Joost Woltering) из Констанцского университета изучили эмбриональное развитие конечностей у рыбы, максимально близкой к древним лопастеперым, — рогозуба Neoceratodus forsteri.

Ученые проследили за тем, в каких частях плавника эмбриона рогозуба и на каких стадиях развития экспрессируются гены hoxa13, alx4, hand2, hoxd13 и ряд других. Все они дают позиционную информацию — помогают клеткам «понять», в какой части тела они находятся, кто их окружает и какую специализацию следует приобрести. Данные по рогозубу сравнили с тем, что было уже известно об экспрессии названных генов в конечностях лучеперых рыб и четвероногих.

Пространственные различия в активности hoxa13, alx4, hand2, hoxd13 у Neoceratodus forsteri оказались похожи на те, что наблюдаются у лучеперых рыб. Первые два экспрессируются преаксиально, то есть с передней стороны плавника, а вторые два — постаксиально. У рогозуба уже формируются подобия проксимальных элементов скелета конечностей, характерные для четвероногих, но пальцев еще нет. Нет и стадий, когда hand2 и hoxd13 начинают работать не только в задней части кончика плавника, но и в передней (у четвероногих они активны во всех пальцах). Иными словами, у этой рыбы при эмбриональном развитии еще не наблюдается тех изменений в экспрессии генов, которые у четвероногих приводят к формированию пальцев.

Таким образом, данные об образовании плавников у рогозубов говорят в пользу того, что для появления проксимальных и дистальных элементов скелета конечностей нужны разные пространственные распределения экспрессии генов. Одно формируется на базе другого: сначала в соответствии с близостью к передней или задней стороне конечности начинают работать hoxa13, alx4, hand2, hoxd13 (первый — «самый передний», последний — «самый задний»), а потом hand2 и hoxd13 как бы захватывают территории hoxa13 и alx4 и дают сигнал на формирование пальцев. Подобный сценарий, только уже в эволюционном масштабе, а не в рамках одного эмбриона, мог разворачиваться при возникновении первых четвероногих.

В 2019 году в исследовании на цихлидах ученые показали, что эпителий вкусовых сосочков и зубы могут формироваться из одних и тех же клеток-предшественниц. То, какая клетка получится, зависит от активности костных морфогенетических белков (BMP). В будущих зубах они работают, а в будущих вкусовых сосочках — нет. Это означает, что теоретически ткани зуба можно формировать из стволовых клеток для эпителия, если активировать в них BMP.

Светлана Ястребова