Путь к пятипалости

Наталья Резник
Наталья Резник

Когда позвоночные стали выбираться на сушу, их плавники превратились в лапы, а лучи плавников — в пальцы. У первых тетрапод (наземных позвоночных с четырьмя конечностями) пальцев было много, но затем их стало пять, и с тех пор пятипалость свойственна всем наземным позвоночным.

Причина этого феномена до недавнего времени оставалась загадкой, которую, возможно, разгадали специалисты Монреальского института клинических исследований, Монреальского университета и Университета Макгилла (Канада) под руководством д-ра Мари Кмита (Marie Kmita). По мнению ученых, пятипалость возникла в результате изменения регуляции гена Hoxa11 в эмбриональных зачатках конечностей [1].

Гены Нох — факторы транскрипции, регулирующие эмбриональное развитие животных. Этих генов несколько десятков, они сгруппированы в четыре комплекса: НохА, НохВ, НохС и НохD. В образовании плавников и лап участвуют кластеры НохА и НохD, в том числе гены Ноха11, Ноха13 и Нохd13.

Однако между рыбами и тетраподами есть два существенных различия. У наземных позвоночных Нох13 в почках конечностей экспрессируется гораздо активнее, чем в зачатках плавников. Кроме того, у тетрапод (лягушек, мышей и птиц) гены Нох11 работают в проксимальной части почки конечностей (ближе к телу), а Нох13 — в дистальной, там, где должны сформироваться пальцы [2]. Их зоны экспрессии практически не перекрываются. Между тем у разных рыб, имеющих парные плавники (акулы, веслоноса, данио), такой разобщенности нет (рис. 1).

Рис. 1. Гены Ноха11 и Ноха13 вместе экспрессируются в зачатках плавников; в почках конечностей тетрапод их области экспрессии не перекрываются (Leite-Castro et al., 2016, с модификацией)
Рис. 1. Гены Ноха11 и Ноха13 вместе экспрессируются в зачатках плавников; в почках конечностей тетрапод их области экспрессии не перекрываются (Leite-Castro et al., 2016, с модификацией)

Существуют две гипотезы, объясняющие, почему Ноха11 в дистальной части конечности тетрапод не работает. Согласно одной из них, активность гена подавляют белки Ноха13/ Нохd13, которых в этой области очень много (рис. 2). Согласно второй, экспрессии Ноха11 препятствует антисмысловая РНК, которая связывается с последовательностью гена.

Рис. 2. Области экспрессии генов Ноха11 и Ноха13 в почках конечности мыши (Kherdjemil et al., 2016)
Рис. 2. Области экспрессии генов Ноха11 и Ноха13 в почках конечности мыши (Kherdjemil et al., 2016)

Канадские ученые предположили, что именно взаимоисключающая экспрессия Ноха11и Ноха13 в зачатках конечностей тетрапод привела к формированию пятипалости. Доказывали они это с помощью многочисленных линий трансгенных мышей, и вот какая картина у них в результате получилась.

Ноха11 состоит из двух кодирующих участков (экзонов), разделенных интроном — некодирующей ДНК. В первом экзоне Ноха11 и происходит синтез антисмысловой РНК. Эти молекулы связываются с кодирующей частью гена, фактически блокируя его считывание и синтез белка (рис. 3). Антисмысловые РНК Ноха11 обнаружены только в дистальной части почки, область их присутствия совпадает с областью «молчания» гена.

Рис. 3. Регуляция работы Ноха11. Белки Ноха13/Нохd13 взаимодействуют с энхансером, расположенным в интроне, и инициируют транскрипцию антисмысловой РНК, которая блокирует экспрессию гена. Цифрами обозначены экзоны
Рис. 3. Регуляция работы Ноха11. Белки Ноха13/Нохd13 взаимодействуют с энхансером, расположенным в интроне, и инициируют транскрипцию антисмысловой РНК, которая блокирует экспрессию гена. Цифрами обозначены экзоны

Транскрипцию антисмысловой РНК инициируют белки Ноха13/Нохd13, которые активно синтезируются в дистальной области будущей конечности. Они взаимодействуют с особой областью — энхансером, который находится в интроне Ноха11. Энхансер, в свою очередь, запускает синтез антисмысловой РНК.

Таким образом, канадские исследователи объединили обе гипотезы: белок Нох13 регулирует синтез антисмысловой молекулы и экспрессию гена Ноха11. У мышей, мутантных по Нох13, антисмысловые РНК не образуются, и ген Ноха11 работает в зоне образования пальцев. Такая же картина наблюдается, когда гены Нох13 в порядке, а Ноха11 лишен энхансера. В обоих случаях у мутантных мышей развивается полидактилия, и на лапе образуется до семи пальцев (рис. 4).

Рис. 4. У мышей на лапах по пять пальцев (слева), но, если ген Ноха11 активен в дистальной части будущей конечности, количество пальцев достигает семи (справа). Kherdjemil et al., 2016, с модификацией
Рис. 4. У мышей на лапах по пять пальцев (слева), но, если ген Ноха11 активен в дистальной части будущей конечности, количество пальцев достигает семи (справа). Kherdjemil et al., 2016, с модификацией

У рыб нет ни антисмысловой РНК Ноха11, ни энхансеров. Такой способ регуляции активности Ноха11 появился у первых тетрапод, а у современных энхансерная последовательность очень консервативна. Возникновение энхансера привело к взаимоисключающей экспрессии Ноха11 и Ноха13 и формированию пятипалости.

Наталья Резник

1. Kherdjemil Y., Lalonde R. L., Sheth R., Dumouchel A., de Martino G., Pineault K. M., Wellik D. M., Stadler H. S., Akimenko M. A., Kmita M. Evolution of Hoxa11 regulation in vertebrates is linked to the pentadactyl state // Nature. 2016. 539. 89–92. doi: 10.1038/nature19813

2. Leite-Castro J., Beviano V., Rodrigues P. N., Freitas R. HoxA Genes and the Fin-to-Limb Transition in Vertebrates // J. Dev. Biol. 2016, 4, 10; doi:10.3390/jdb4010010

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

 См. также:

  • Зомби-гены обонятельных рецепторов04.07.2017 Зомби-гены обонятельных рецепторов Всякий геном содержит псевдогены — последовательности ДНК, бывшие когда-то полноценными генами и утратившие функциональность в результате мутаций. Недавно швейцарские ученые под руководством ассоциированного профессора Лозаннского университета Ричарда Бентона (Richard Benton) обнаружили, что псевдогены, несмотря на поломку, могут быть вполне функциональны. Авторы исследования предложили для них новое название — псевдопсевдогены.
  • И наступила эра лучеперых08.09.2015 И наступила эра лучеперых Самая многообразная и процветающая группа позвоночных на нашей планете — лучеперые рыбы. Подавляющее большинство видов рыб принадлежит этому подклассу. По данным молекулярной филогении и палеонтологии, современные лучеперые рыбы (костистые, Teleostei) появились около 200 млн лет назад. Были они мелкими и эволюционировали довольно медленно.
  • Неоднозначность стоп-кодонов06.12.2016 Неоднозначность стоп-кодонов Языки людей неоднозначны, многие слова в них имеют не одно, а несколько значений. Обычно мы улавливаем смысл исходя из контекста сказанного. У клеток свой язык, который они используют при синтезе белка. Это генетический код, состоящий из 64 нуклеотидных триплетов (кодонов), 61 из которых, смысловые, кодируют определенные аминокислоты, а три стоп-кодона вызывают завершение синтеза белковой молекулы (трансляции). Но кодоны, оказывается, могут иметь разный смысл, и, чтобы его понять, приходится, опять-таки, ориентироваться на контекст.
  • От мозга человека до болезней кораллов27.03.2018 От мозга человека до болезней кораллов Пять молодых ученых, научных сотрудников Центра системной биомедицины и биотехнологий Сколтеха, рассказали ТрВ-Наука о своих исследованиях и о том, можно ли сегодня заниматься наукой в России. Вопросы задавала Надежда Маркина.
Подписаться
Уведомление о
guest
0 Комментария(-ев)
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (Пока оценок нет)
Загрузка...
 
 

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: