Новое исследование выявило скрытые генетические изменения, которые, возможно, привели к появлению животных с позвоночником. Фото: Shutterstock
Ученые из Университета Сент-Эндрюса выявили важный недостающий элемент в понимании того, как впервые появились животные с позвоночником. Сюда входят млекопитающие, рыбы, рептилии и амфибии. Полученные результаты помогают объяснить, как позвоночные возникли и дифференцировались от более простых животных предков.
Исследование было опубликовано 2 февраля в журнале BMC Biology. В ходе исследования ученые обнаружили необычную закономерность в эволюции определенных генов, что позволяет предположить, что эти изменения сыграли ключевую роль в раннем развитии и распространении жизни позвоночных.
Как клетки взаимодействуют в процессе развития
Все животные используют сложные сигнальные пути, которые позволяют клеткам взаимодействовать друг с другом. Эти пути управляют такими важными процессами, как формирование эмбриона и развитие органов. Они необходимы для нормального роста, а также тесно связаны с развитием заболеваний, когда происходят мутации, поэтому они часто становятся мишенями при разработке лекарств.
В основе этих путей лежат специализированные белки, которые определяют, как сигналы интерпретируются внутри клеток. Эти белки действуют как контрольные точки, направляя клетки к определенному поведению и паттернам активности генов.
Сравнение морских водорослей, миног и лягушек
Чтобы лучше понять, как эволюционировали эти системы, исследователи собрали новые генетические данные о морских моллюсках, миноге и одном из видов лягушек. Морские моллюски относятся к беспозвоночным, что делает их полезными для выявления различий между животными, у которых нет позвоночника, и теми, у кого он есть. Миноги представляют собой одну из самых ранних ветвей позвоночных, что помогает исследователям точно определить, когда впервые появились ключевые генетические изменения.
Команда обнаружила, что гены, ответственные за выработку сигнальных белков, эволюционировали особым образом во время перехода от беспозвоночных к позвоночным.
Первый обзор с использованием секвенирования длинномолекулярной ДНК
В основу исследования было положено секвенирование длинномолекулярной ДНК — метод, который позволяет разделить и идентифицировать различные транскрипты, продуцируемые одним геном. Такой подход никогда ранее не применялся к генам, экспрессируемым у этих конкретных животных.
В результате исследователи впервые смогли составить карту всего спектра транскриптов и белков, генерируемых этими генами в процессе развития позвоночных.
Всплеск разнообразия белков
В отличие от морского окуня, и минога, и лягушка продуцируют гораздо больше разновидностей белков из отдельных сигнальных генов. Это увеличение было намного больше, чем у большинства других типов генов.
Масштаб этого сдвига был очевиден. Поскольку эти сигнальные пути влияют на то, как клетки превращаются в различные ткани и органы, исследователи полагают, что растущее разнообразие белков, вероятно, способствовало повышенной сложности, наблюдаемой у позвоночных (животных со спинным хребтом) по сравнению с беспозвоночными.
Почему эти результаты важны
Ведущий автор исследования профессор Дэвид Ферье (David Ferrier) из биологической школы сказал: «Для нас было очень удивительно увидеть, как эта небольшая выборка очень специфичных генов выделяется своим поведением по сравнению с любым другим типом генов, которые мы рассматривали.Будет интересно определить, как эти различные формы белка работают по-разному, создавая разнообразие типов клеток, которые мы сейчас наблюдаем у позвоночных».
Помимо того, что эти вариации белков дают представление о том, как эволюционировали позвоночные, они также могут оказаться полезными для будущих исследований. Понимание того, как эти пути функционируют и могут быть скорректированы, может в конечном итоге помочь ученым разработать новые подходы к лечению заболеваний.