Ғалымдар құрлық жануарларында саусақтардың қалыптасуына жауап беретін генетикалық бағдарлама күтпеген жерден — геномның кодталмайтын аймақтарынан пайда болуы мүмкін екенін анықтады.

Қол-аяқ эволюциясы: балықтардан құрлық жануарларына дейін

Миллиондаған жылдар бұрын қазіргі омыртқалылардың ата-бабалары құрлыққа шығып, балықтардан әртүрлі түрлерге — табаны, алақаны және саусақтары бар жануарларға айнала бастады. Бұл аяқ-қолдардың қалай пайда болғаны — биологиядағы ең көне сұрақтардың бірі.

Жердегі жануарлардың саусақтары мен балықтардың жүзбеқанаттарының ортақ эволюциялық шығу тегі бар және олар бір генетикалық бағдарлама арқылы қалыптасқан деген гипотеза бар. Дегенмен, бұл процестің егжей-тегжейлері әлі де ғалымдар арасында пікірталас тудырады.

Күтпеген генетикалық механизм

Халықаралық зерттеушілер тобы эволюция барысында саусақтардың қалыптасуына ежелгі геном аймағы қатысқанын анықтады. Бұл аймақ бастапқыда жүзбеқанаттардың дамуына емес, көптеген жануарларда ас қорыту, зәр шығару және көбею жүйелерінің шығу тесіктерін біріктіретін клоаканың қалыптасуына жауап берген. Зерттеу нәтижелері Nature журналында жарияланды.

Биологтар саусақтардың дамуына тікелей қатысатын гендерді ғана емес, сонымен қатар гендердің экспрессиясы мен белсенділігін реттейтін кең кодталмайтын ДНҚ аймақтарын да зерттеді. Бұл аймақтар «реттеуші ландшафттар» деп аталады — олар кодтайтын аймақтарға қарағанда әлдеқайда үлкен, ал кодтайтын аймақтар геномның тек шамамен 2%-ын құрайды. Кодталмайтын аймақтарды диспетчерлік орталықтармен салыстыруға болады, олар гендердің жұмысын басқарады.

Тышқан мен балық геномдарымен тәжірибе

Зерттеу барысында ғалымдар тышқандар мен данио-рерио балықтарының геномдарын зерттеді. Алдымен олар екі түрге ортақ, тышқандарда саусақтардың дамуына қатысатын реттеуші ландшафтты анықтады. Содан кейін CRISPR/Cas9 технологиясының көмегімен биологтар бұл ірі ДНҚ аймағын балықтардан алып тастап, олардың эмбриондарының дамуын бақылады.

Бұл аймақты алып тастау клоака аймағындағы ген экспрессиясының жоғалуына әкелді, бірақ жүзбеқанаттарда өзгеріс байқалмады. Бұл реттеуші элемент бастапқыда клоаканың дамуына байланысты болғанын, ал эволюция барысында құрлық омыртқалыларында саусақтардың қалыптасуына «қайта бейімделгенін» көрсетті.

Клоака мен саусақтардың ортақ белгілері

Зерттеу авторы Орели Хинтерманнның айтуынша, клоака мен саусақтарды біріктіретін ортақ белгі — екеуі де терминалды құрылымдар, яғни биологиялық осьтердің немесе жүйелердің шетінде орналасқан. Кейде бұл ас қорыту түтігінің соңы, кейде — аяқ-қолдың ұшы, яғни саусақтар. Осылайша, клоака да, саусақтар да белгілі бір құрылымның «шетін» білдіреді.

Hox гендерінің рөлі және эволюциялық қорытындылар

Зерттеушілерді қызықтырған реттеуші ландшафттар Hox гендерінің — «архитектор-гендер» деп аталатын, сегменттер мен органдардың орналасуы мен ерекшелігін анықтайтын, сондай-ақ тіндердің өсуі мен мамандануын басқаратын гендердің белсенділігін бақылайды. Бұл гендер күрделі желінің шыңында орналасқан, мыңдаған басқа гендерді реттейді, сондықтан олардың мутациялары анатомиялық өзгерістерге әкелуі мүмкін. Эволюция үшін Hox гендерінің жұмысы аса маңызды рөл атқарады.

Зерттеу бастамашысы профессор Дени Дюбуль былай дейді: «Бұл гендердің осы процеске қатысуы — эволюцияның ескіні қайта өңдеп, жаңаны қалай жасайтынының айқын мысалы. Саусақтар үшін жаңа реттеуші жүйе құрудың орнына, табиғат бастапқыда клоакада белсенді болған механизмді қайта бейімдеген».

Зерттеулердің жаңа көкжиектері

Алынған деректерге сүйене отырып, ғалымдар ең алдымен реттеуші және кодтайтын гендердің жұмысын басқаратын архитектура эволюцияға ұшыраған деген қорытындыға келді. Кейде тұтас генетикалық аймақ жаңа морфологиялық контексте қолданылуы мүмкін. Енді зерттеушілердің назары геномда өзгерістер қай жерде болатынынан гөрі, бұл өзгерістердің қалай жүзеге асатынына ауысты.