Семьсот миллионов лет назад впервые появилось замечательное существо. Хотя по сегодняшним меркам это было не так уж и много, у животного были передняя и задняя часть, верх и низ. В то время это была новаторская адаптация, заложившая базовый план тела, который в конечном итоге унаследовали самые сложные животные, включая человека.
Неприметное животное обитало в древних морях Земли, вероятно, ползая по морскому дну. Это был последний общий предок билатерий, обширной супергруппы животных, включающей позвоночных (рыб, амфибий, рептилий, птиц и млекопитающих) и беспозвоночных (насекомых, членистоногих, моллюсков, червей, иглокожих и многих других).
На сегодняшний день более 7000 групп генов можно проследить до последнего общего предка билатерий, согласно исследованию 20 различных видов билатерий, включая людей, акул, поденок, многоножек и осьминогов. Результаты были сделаны исследователями из Центра геномной регуляции (CRG) в Барселоне и опубликованы сегодня в журнале Nature Ecology & Evolution .
Примечательно, что исследование показало, что около половины этих наследственных генов с тех пор были перепрофилированы животными для использования в определенных частях тела, особенно в мозге и репродуктивных тканях. Результаты удивительны, поскольку древние, консервативные гены обычно выполняют фундаментальные и важные функции, необходимые во многих частях тела.
Когда исследователи присмотрелись поближе, они обнаружили, что виновата серия случайных ошибок «копипаста» во время билатеральной эволюции. Например, в начале истории позвоночных был важный момент. Впервые появился набор тканеспецифичных генов, совпавший с двумя событиями дупликации целого генома.
Животные могли сохранить одну копию для выполнения фундаментальных функций, а вторую копию можно было использовать в качестве сырья для эволюционных инноваций. Подобные события, в разной степени масштаба, постоянно происходили на протяжении всего билатерального эволюционного древа.
«Наши гены подобны обширной библиотеке рецептов, которые можно готовить по-разному, создавая или изменяя ткани и органы. Представьте, что вы случайно получили две копии рецепта паэльи. Вы можете сохранить и наслаждаться оригинальным рецептом, пока эволюция меняет его, дополнительную копию, чтобы вместо нее готовилось ризотто.
«Теперь представьте, что вся книга рецептов скопирована — дважды — и какие возможности она открывает для эволюции. Наследие этих событий, произошедших сотни миллионов лет назад, сегодня живет в большинстве сложных животных », — объясняет Федерика Мантика, автор автора статьи и исследователя Центра геномной регуляции (CRG) в Барселоне.
Авторы исследования обнаружили множество примеров новых, тканеспецифичных функций, ставших возможными благодаря специализации этих предковых генов. Например, гены TESMIN и tomb, произошедшие от одного и того же предка, в конечном итоге независимо сыграли специализированную роль в семенниках как у позвоночных, так и у насекомых. Их важность подчеркивается тем фактом, что проблемы с этими генами могут нарушить выработку спермы, влияя на фертильность как у мышей, так и у плодовых мух.
Специализация наследственных генов также заложила некоторые основы для развития сложных нервных систем. Например, у позвоночных исследователи обнаружили гены, имеющие решающее значение для формирования миелиновых оболочек вокруг нервных клеток, которые необходимы для быстрой передачи нервных сигналов. У людей они также выявили FGF17, который, как полагают, играет важную роль в поддержании когнитивных функций в пожилом возрасте.
У насекомых определенные гены стали специализироваться в мышцах и эпидермисе для формирования кутикулы, что способствовало их способности летать. В коже осьминогов другие гены стали специализироваться на восприятии световых раздражителей, что способствует их способности менять цвет, маскировать и общаться с другими осьминогами.
Изучая эволюцию видов на тканевом уровне, исследование показывает, что изменения в способах использования генов в разных частях тела сыграли большую роль в создании новых и уникальных особенностей у животных. Другими словами, когда гены начинают действовать в определенных тканях, это может привести к развитию новых физических качеств или способностей, что в конечном итоге способствует эволюции животных.
«Наша работа заставляет нас переосмыслить роли и функции, которые играют гены. Она показывает нам, что гены, которые имеют решающее значение для выживания и сохранялись на протяжении миллионов лет, также могут очень легко приобретать новые функции в ходе эволюции.
«Это отражает эволюционный баланс между сохранением жизненно важных ролей и исследованием новых путей», — заключает профессор-исследователь ICREA Мануэль Иримия, соавтор статьи и исследователь Центра геномной регуляции.
фото: Подёнка — один из 20 видов, изученных в статье. Фото: Изабель Альмуди.
Дополнительная информация: Эволюция тканеспецифической экспрессии предковых генов у позвоночных и насекомых, Nature Ecology & Evolution (2024). DOI: 10.1038/s41559-024-02398-5
Информация журнала: Природа Экология и эволюция
Предоставлено Центром геномной регуляции.