Ученые объяснили, как змеи в процессе эволюции потеряли конечности

«Наша работа состояла из изучения геномов нескольких видов позвоночных, включая идентификацию геномных областей, которые изменились только у змей или подземных млекопитающих, оставаясь неизменными у других видов, которые не потеряли конечностей или не имеют нормальных глаз», — уточняет руководитель исследовательской группы Джулиана Гуссон Россито (Juliana Gusson Roscito). Само исследование сотрудников Института молекулярной клеточной биологии и генетики имени Макса Планка в Дрездене (Германия) опубликовано в журнале Nature Communications.

По мнению ученых, млекопитающие с деградировавшими зрительными системами, по-видимому, выделяют из геномов определенные гены — как правило те, которые связаны с образованием хрусталика и фоторецепторных клеток в глазах. Вероятнее всего, этот процесс был постепенным, и, в конце концов, эти гены полностью потеряли способность кодировать белки. Однако, по мнению Россито, этого не случилось со змеями, которые не потеряли гены, связанные с формированием конечностей.

«Чтобы быть более точным, наше исследование, которое секвенировало геном змеи, действительно обнаружило потерю одного гена, но только одного. Следовательно, подход, который мы выбрали, состоял в изучении не генов, а элементов, которые регулируют их экспрессию», — добавляет она.

Экспрессия гена — независимо от того, «активен» ген или нет — зависит от регуляторных элементов, которые находятся за пределами самого гена. Они в основном пропускают или блокируют информацию внутри гена, которая транскрибируется в РНК и затем переносится для генерации белка. Этот процесс контролируется цис-регуляторными элементами (cis-regulatory elements, CRE) — последовательностями нуклеотидов в ДНК, расположенными рядом с генами, которые они регулируют. Эти CRE могут значительно изменить функциональность генома с помощью генов, которые они блокируют или активируют.

«Регуляторный элемент может активировать или ингибировать экспрессию гена в определенной части организма, например в конечностях, в то время как другой регуляторный элемент может активировать или ингибировать экспрессию того же гена в другой части тела. Если ген потерян, он перестает экспрессироваться в обоих местах и часто может негативно влиять на формирование организма. Однако, если потерян только один из регуляторных элементов, выражение может исчезнуть в одной части, при этом сохранившись в другой», — объясняет Россито.

Тем не менее точно определить CRE довольно сложно. Все гены следуют определенной структурной схеме, имея пары оснований на каждом конце гена, поэтому их легко разграничить. CRE должны быть определены косвенно, обычно путем сравнения последовательностей ДНК из разных видов. Именно это и сделала команда ученых: они сравнили геномы змей с генами различных рептилий и позвоночных, у которых есть конечности. По словам специалистов, поскольку «геномных последовательностей для рептилий с хорошо развитыми конечностями мало», они самостоятельно и впервые секвенировали геном аргентинского черно-белого тегу (Salvator merianae). 

Используя этот геном в качестве примера, команда рассмотрела геномы и нескольких других видов: двух змей (удава и питона), трех других пресмыкающихся, трех птиц, аллигатора, трех черепах, 14 млекопитающих и рыбы отряда целакантообразных (Coelacanthiformes). Имея пять тысяч возможных кандидатов в регуляторные элементы в ДНК этих видов, команда изучила геномы нескольких видов змей. Им удалось сузить поиск до набора CRE, мутация которых могла привести к исчезновению конечностей у этих пресмыкающихся.

Россито отмечает, что найденный CRE — лишь один из регуляторных элементов для одного из нескольких генов, которые контролируют формирование конечностей. В своей работе ученые значительно расширили этот набор, показав, что некоторые другие элементы, ответственные за регулирование многих генов, мутировали у змей.