Как ошибки в копировании генов привели к появлению животного мира

Около 700 миллионов лет назад впервые появилось замечательное существо. У этого животного были передняя и задняя части, верх и низ, хотя по сегодняшним меркам это не так уж и много. Однако в то давнее 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 (двусторонне-симметричные), 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, включая людей, акул, поденок, многоножек и осьминогов. Результаты были представлены исследователями из Центра геномной регуляции (CRG) в Барселоне и опубликованы в журнале Nature Ecology and 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 разного масштаба постоянно происходили на протяжении всего билатерального эволюционного древа.

«Наши гены подобны обширной библиотеке рецептов, которые можно по-разному готовить для создания или изменения тканей и органов. Представьте, что у вас случайно оказались две копии рецепта паэльи. Вы можете сохранить и наслаждаться оригинальным рецептом, пока эволюция настраивает дополнительную копию, чтобы вместо нее готовилось ризотто. А 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 самых сложных животных», — объясняет Федерика Мантика, автор статьи и исследователь Центра геномной регуляции (CRG).

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 ген 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 способствовало их способности менять цвет, маскироваться 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 ICREA Мануэль Иримия, соавтор статьи и исследователь Центра геномной регуляции.