Клювы птиц и морды млекопитающих поражают разнообразием — от длинного тонкого клюва колибри до мощных челюстей гиены. Это многообразие отражает адаптацию к разным средам и образу жизни. Но за ним скрывается парадокс: у птиц и млекопитающих лицевые структуры строятся с использованием глубоко консервативных (эволюционно древних и сходных) программ развития. Как эволюция создает такие поразительные различия, не изобретая каждый раз заново базовый механизм?
Ученые Института эволюционной биологии Общества Макса Планка (Германия) и Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (США) показали, что ключевую роль играют изменения в регуляции генов, а не самих гены.
Во время эмбрионального развития рост лица направляется сигнальными центрами — так называемыми организаторами развития. Эти группы клеток работают как локальные центры управления, высвобождая сигнальные молекулы (морфогены), которые инструктируют соседние клетки, где расти и кем становиться. Как ни странно, многие из этих морфогенов одинаковы у птиц и млекопитающих. Откуда же тогда берется разнообразие?
Эволюция, как выяснили авторы, меняет не инструменты, а инструкции по их использованию. Разнообразие форм лица возникает в первую очередь из-за изменений в некодирующих последовательностях ДНК — регуляторных элементах, которые работают как переключатели, контролирующие, когда и где именно включается тот или иной ген.
Во время эмбрионального развития многие гены используются многократно в разных тканях и на разных стадиях. Если вы измените сам ген, вы рискуете нарушить сразу множество процессов в разных частях тела. Но изменяя регуляторные элементы, которые контролируют, где и когда ген используется, эволюция может переформировать конкретные черты, такие как лицо, не нанося ущерба всему организму
Исследователи обнаружили еще один, неожиданный слой эволюционных изменений. Самые выраженные различия в регуляции генов между мышью и курицей оказались не в самих сигнальных центрах, а в клетках мезенхимы. Именно эти клетки принимают сигналы от организаторов: они делятся, мигрируют в нужное место и превращаются в хрящ и кость, выступая в роли главных строителей лицевого скелета.
Исследователи также проверили, играют ли те же регуляторные области роль в вариациях человеческих лиц. Они сравнили свои данные с крупными генетическими исследованиями, которые связывают специфические участки генома с различиями в форме лица человека. Выяснилось, что многие регуляторные элементы, активные в развивающемся лице, совпадают с геномными регионами, ассоциированными с человеческими лицевыми чертами. Иными словами, те же регуляторные механизмы, которые эволюция использует для создания разнообразия между видами, вносят вклад и в изменчивость внутри нашего собственного вида.
Данные показывают, что гены содержат чертеж, но именно регуляторный ландшафт определяет, как эта информация используется. Команда создала обширный общедоступный набор данных об экспрессии генов и регуляторной активности в развивающихся лицевых тканях, а также интерактивную онлайн-базу данных — новый ресурс для изучения эволюции черепа и лица у птиц и млекопитающих. Исследование опубликовано в научном журнале Science Advances.
Ранее Наука Mail рассказывала о древней рептилии с клювом из Бразилии, изменившей взгляд ученых на эволюцию.
