Как насекомые завоевали водное царство с помощью пары генов

Аудиоверсия статьи.

С момента создания Дарвином теории естественного отбора вопрос об эволюционных новшествах никогда не переставал интересовать биологов. Относительно легко понять, как естественный отбор может сделать рога больше, лапы длиннее и крылья ярче — то есть изменить уже существующие особенности. Но порой они, полностью оформленные, появляются как будто из ниоткуда, без каких-либо предпосылок. Почему же так происходит?

На этот вопрос отчасти отвечает недавняя статья, опубликованная в журнале Science. Исследование показывает, как появление всего лишь одного или двух генов может кардинально изменить внешний вид, поведение или экологическую нишу организма. Опираясь на генетику развития, эволюционный анализ, биомеханику и экологию, ученые объяснили, как у одного из видов водных насекомых развилось жизненно необходимое «новшество». Но такая модель, возможно, применима и ко всему царству животных.

«Сравнительная геномика уже доказала, что новые гены могут формировать новые образования. Но, насколько мне известно, впервые гены образовали структуру, которая, в свою очередь, кардинально изменила отношение организма со средой», — заявил Абдеррахман Кила, специалист по геномике развития из Института функциональной геномики в Лионе. Именно господин Кила возглавляет исследование водомерок, этих хрупких насекомых.

Водомерки прекрасно передвигаются по спокойной воде. А вот насекомые тропического вида Rhagovelia, ко всему прочему, научились передвигаться по поверхности быстротекущих ручьев и бурных рек. Они отличаются тем, что у них на средней паре ножек имеются эластичные образования, по форме напоминающие японский веер. Раскрывая свой «веер», насекомые увеличивают площадь соприкосновения с поверхностью воды и таким образом могут сильнее отталкиваться. Хитрое приспособление, но как Rhagovelia приобрели его, если ничего подобного у других видов нет?

Чтобы выяснить, как появилось это образование, доктор Кила, доктор Эмилия Сантос и несколько студентов для начала должны были понять, как вырастить водомерок в лабораторных условиях — задача непростая, ведь, как оказалось, этот вид очень требователен. Исследователям понадобилось почти три года, чтобы научиться поддерживать жизнедеятельность насекомых на протяжении всего цикла жизни: от яйца до взрослой особи. Как только было выращено достаточное количество водомерок, группа приступила к экспериментам.

Кила и Сантос подробно изучили развивающиеся ножки Rhagovelia и установили последовательность в транскриптоме — совокупности всех активных генов в тканях «веера». «Веер» был только на второй паре ножек, поэтому ученые сравнили активность генов этой пары с активностью в первой и третьей. Они обнаружили, что 80-90 генов сверхэкспрессировались только во второй паре.

Затем они использовали метод цитологической гибридизации, чтобы определить, в какой именно части ножек были активны эти 80-90 генов. Кила и Сантос обнаружили, что пять генов из этой группы особенно сильно проявляются на кончике второй ножки — как раз оттуда и начинает развиваться «веер». Три из пяти отвечали за структуру кутикулы — внешнего защитного слоя наружного скелета насекомых. Два других гена оказались паралогами, то есть возникшими в результате дупликации. Ученые ничего не знали об их назначении.

В попытках понять функции этих двух паралогов группа искала похожие гены у других видов. Изучив историю развития генов у водомерок, исследователи обнаружили «ген-прародитель» (отличный от более современного дубликата) и отследили момент его появления. Им оказалось зарождение вида Rhagovelia. Только водомерки этого вида имеют мутировавший ген, и только у них есть «веер» на ножках.

«Появление „веера“ совпадает по времени с дупликацией гена, — объяснил Кила, также отметив, что нахождение гена в кончиках ножек весьма важно. — Перед нами явное доказательство того, что эти гены отвечают за появление „веерного“ образования».

Так как образование на ножке напомнило ученым японский веер, они решили назвать новый ген «гейша», а его древнюю версию — «мать гейши». Чтобы понять, за что ответственны эти гены, исследователи использовали метод РНК-интерференции, подавляя тем самым их экспрессию. Это привело к развитию лишь маленького, зачаточного «веера». (Гейша и мать гейши очень похожи по своей структуре, и ученым не удалось подавить их по отдельности, поэтому разница в их функциях все еще не ясна.)

Затем Кила и Сантос перенесли опыты с водомерками на воду, чтобы выяснить, как же им помогают «веера». Они сравнивали 4 группы: очень похожий на Rhagovelia, но не имеющий «веера» вид Stridulivelia, сам вид Rhagovelia, водомерок, у которых «веера» были удалены хирургическим путем, и насекомых, у которых гены гейша и мать гейши были подавлены РНК-интерференцией.

Исследователи наблюдали, как насекомые справлялись с движением по спокойной и бурной воде. В первом случае «веер» не давал каких-либо преимуществ в скорости, хотя прыжки водомерок с «веерами» получались длиннее, а значит, отталкиваться можно было реже. «Скорость такая же, но сил они тратят меньше», — пояснил Кила.

Тем не менее в не самой удобной для насекомых среде, а именно в текущей воде, «веера» дают серьезное преимущество: они позволяют двигаться против течения. Насекомых без них просто уносит потоком воды. Когда ученые отключили гены, о которых говорилось выше, у Rhagovelia развились рудиментарные веера; с их помощью водомерки справлялись со слабым течением. Таким образом, даже в самой примитивной форме, «веера» исключительно важны и позволяют виду Rhagovelia перемещаться по проточной воде — там, где не могут двигаться даже родственные виды.

Хилой говорит, что немногие эксперименты могут объединить в себе биомеханику, транскриптомику, эволюционную биологию, экологию и генетику развития. Однако именно такая комбинация необходима для того, чтобы получить точный ответ на вопрос о том, как работает фенотипическая изменчивость.

«Поражает интегративный, междисциплинарный характер такого подхода», — говорит Эхаб Абухейф, специалист по эволюционной биологии развития в Университете Макгилл. (Он не участвовал в исследовании, но был научным руководителем доктора Килы в период между 2006 и 2011 годами.) По словам Абухейфа, Кила не только обнаружил новый ген, отвечающий за появление у водомерок «вееров», но и «реконструировал эволюционную историю этого приспособления, а затем провел тесты, доказывающие его экологическую функцию».

«Это исследование по-настоящему впечатляет, — соглашается Грег Рэй, специалист по эволюционной биологии развития в Университете Дьюка. — Как правило подобное открытие требует много времени и является результатом исследований многих групп ученых, работающих по отдельности до тех пор, пока не найдется последний элемент, объединяющий результаты их труда. Изумляет то, что в данном случае мы можем разом проследить весь ход проекта».

Рэй добавляет: «Еще одна, как мне кажется, интересная вещь заключается в том, что ученым довольно редко удавалось применить экспрессию генов для точного определения генетических изменений, отвечающих за какую-либо черту. Весьма впечатляюще».

Конечно, «гейша» и «мать гейши» не работают отдельно от остальных генов. Сейчас Кила со своей командой пытаются выяснить, как другие гены взаимодействуют с ними. Таким образом они хотят раскрыть всю цепочку генетических изменений, благодаря которым появилась структура «вееров». Рэй считает, что «гейша» и «мать гейши» кооптируют разные гены, отвечающие за разные вещи. «Очень сложно представить, что два гена самостоятельно создали такую структуру, — говорит он. — Мне кажется, что они заставляют гены, играющие в развитии организма другую роль, работать в одном направлении».

Знакомые с исследованием биологи считают очень интересным то, что гейша и мать гейши — это новые гены, роль которых в развитии организма неизвестна. «В литературе [об эволюционных новшествах] часто встречаются примеры кооптации — когда старые гены, начинают следовать за новыми», — пишет в электронном сообщении Армин Моцек, специалист по эволюционной биологии развития в Индианском университете.

«Существует множество примеров, от узоров на крыльях бабочек до рогов у жуков, которые позволяют сравнить организмы с игрушками Lego, собранными из разных комбинаций одного и того же, казалось бы, небольшого набора генов, вариантов развития и морфогенетических процессов, — продолжает Моцек. — Сейчас ученые хотят найти подтверждения тому, что возникновение эволюционных новшеств возможно благодаря кооптации генов. Исследование Килы показывает: новые гены продолжают иметь важное значение». Моцек также добавил, что внезапное появление новых генов может способствовать возникновению «экологически значимого морфологического признака» даже между близкими видами.

Генетик Иэн Дворкин, изучающий эволюцию полета в Университете Макмастера, отметил, что литература по биологии развития, которая изучает роль механизмов развития в эволюционных изменениях, богата примерами кооптации генов. Но вот что остается неясным: отражает ли это изобилие примеров частоту, с которой в природе происходит кооптация генов, или же это результат погрешности в расчетах (искажение в определении частоты феномена, из-за особенностей сбора информации — ошибка, часто встречающаяся среди ученых, изучающих эволюционную биологию развития). «Здорово видеть изменение, произошедшее в результате появления нового гена — это не просто кооптация. Подобное действительно завораживает», — признается Дворкин.

Дворкин задается вопросом: «А что если гены „гейша“ и „мать гейши“ вставить в геном водомерок Stridulivelia, на ножках которых отсутствуют „веера“, но которые, по сути, являются генетическими сестрами Rhagovelia. Запустит ли это развитие у них нового морфологического признака?» Хоть эксперимент будет очень сложно провести на немодельном организме, «это могло бы продемонстрировать, что именно данные гены отвечают за новообразование».

«Ученые, изучающие эволюцию, часто попадают в ситуацию, когда очень трудно определить с чем они имеют дело — с кооптацией старых генов или с появлением новых», — рассуждает Абухейф. Но это исследование напоминает о том, что эволюция может объединять оба метода: изменение последовательности старых генов и внедрение новых образуют цепь, ведущую к появлению новой черты. Вопрос к исследователям, по словам Абухейфа, звучит следующим образом: «Как собираются эти генетические цепи?»

Оригинал: Quanta.

Автор: Вивиэн Калье.

Переводили: Андрей Зубов, Мария Елистратова.

Редактировали: Слава Солнцева, Кирилл Казаков, Сергей Разумов.

Источник: zen.yandex.ru