Биологи пролили свет на прошлое древних генов, отвечающих за симметрию тела

Подопытным животным биологам послужил морской анемон.

Иллюстрация Ahmet Karrabulut, Gibson Lab.

Hox-гены работают не только у билатериев, но и у радиально-симметричных животных.

Фото Jarek Tuszynski/Wikimedia Commons.

Учёные выяснили, какую роль могли играть гены, сегодня отвечающие за симметричное строение наших тел, ещё до того, как разделились эволюционные линии человека и медузы. Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Science группой во главе с Мэттью Гибсоном (Matthew Gibson) из Института медицинских исследований Стоуэрса в США.

Без сомнения, каждый хоть раз замечал, что у него парные глаза, уши, ноздри, руки, молочные железы и ноги. Кроме того, левая половина, скажем, рта или живота удивительно напоминает его же правую половину. Тело человека сильно меняется при движении сверху вниз (голову трудновато спутать с тазом), но каждый раз левая сторона оказывается зеркальным отражением правой.

Как говорят учёные, человеческое тело обладает зеркальной симметрией относительно оси, проходящей вдоль тела. Люди далеко не одиноки в этом отношении. Так же обстоит дело, скажем, с мухами, у которых напротив левого крыла расположено такое же правое, а не нога и не глаз.

Всех таких зеркально-симметричных животных биологи объединяют в группу билатериев. Она удивительно разнообразна: в неё попадают, например, все позвоночные, все членистоногие и все черви, то есть человек соседствует с тараканами и аскаридами. Тем не менее специалисты уверены, что все они произошли от одного первого билатерия. Тому есть огромное количество морфологических, палеонтологических, генетических и других доказательств.

В частности, у всех исследованных на этот счёт билатериев за зеркальную симметрию тела отвечают так называемые Hox-гены. Они включаются в ранние периоды эмбрионального развития. От Hox-генов не зависит количество сегментов, на которые разделено тело, или, скажем, число конечностей. Их функция в том, чтобы каждый из этих сегментов обладал симметрией: напротив руки находилась рука, а напротив глаза глаз. Когда подопытным мухам отключали эти гены, появлялись поразительные мутанты с крылом вместо ноги или ногой вместо усика.

Однако Hox-гены были найдены не только у билатериев. Они также обнаруживаются у представителей типа стрекающих (Cnidaria). К последним относятся, например, медузы и коралловые полипы.

Hox-гены работают не только у билатериев, но и у радиально-симметричных животных.

Стрекающие относятся к радиально-симметричным животным. Подобные существа ещё более симметричны, чем билатерии. У последних, по крайней мере, можно различить анфас и профиль, то есть при повороте тела вокруг оси симметрии его вид меняется. Радиально-симметричные существа одинаковы при взгляде на них с любой стороны, как цилиндр или конус. Если кто-то в ваше отсутствие повернёт вашу любимую медузу вдоль её продольной оси на любое количество градусов, это будет трудновато заметить.

Чем же "заняты" Hox-гены у таких животных? Поиском ответа и занялась команда Гибсона. В качестве подопытного животного учёные взяли морской анемон (sea anemone) Nematostella vectensis.

"У нас никогда не было функциональных свидетельств того, откуда возник код Hox и как он мог контролировать развитие [эмбриона] до появления билатериев, – объясняет Гибсон. – Изучая функции Hox-генов в морском анемоне, мы можем начать понимать возможную роль этих генов у нашего древнего общего предка, жившего около 600 миллионов лет назад".

Биологи отключили у животного Hox-гены Anthox1a, Anthrox8, Anthrox6a и Gbx. Для большей надёжности эта манипуляция выполнялась двумя способами. В одних опытах блокировался синтез соответствующих белков путём введения в РНК шпилек. В других ген просто удалялся посредством технологии редактирования CRISPR/Cas9.

В результате появились примечательные мутации. У некоторых животных развилось только по два или три щупальца, тогда как в норме их четыре. Некоторые щупальца были увеличены в размере. Иногда два щупальца оказывались частично сросшимися, а порой наоборот, одно было раздвоено. Это тем более удивительно, что у билатериев, как уже было упомянуто, Hox-гены не регулируют количество конечностей.

Исследователи сделали вывод, что у общего предка билатериев и радиально-симметричных животных Hox-гены отвечали не только за симметрию сегментов, но и за их количество. Последняя функция была утрачена у билатериев, но сохранялась в течение всей эволюционной истории N. vectensis.

Теперь авторы собираются провести эксперименты над другими стрекающими, чтобы выяснить, у всех ли представителей этого типа Hox-гены играют такую же роль, как у исследованного морского анемона.

К слову, ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) писали о том, как были опровергнуты представления о "монополии" билатериев на центральную нервную систему.