В позднем девонском периоде, примерно 365 миллионов лет назад, рыбы-подобные существа начали выходить из мелководья на сушу. Среди различных приспособлений, связанных с переключением на землю, было преобразование плавников в конечности. Этот переход позволил животным перемещаться по водным местообитаниям и ходить по суше.
Мы уже знаем, что плавники и конечности имеют одну и ту же генетическую программу для их индукции и раннего развития. Но из-за их дивергентных морфологических признаков (формы и структуры) было неизвестно, как плавник может развиться в конечность.
Но теперь статья, опубликованная в журнале Developmental Cell Ренатой Фрейтас и коллегами из Университета Андалусии (Севилья, Испания), предполагает, что ключ к переходу от границы к конечному связан с регулированием гомеотического (ответственного за формирование body части) ген hoxd13.
Пальцы, пальцы, плавники и многое другое
Ископаемые и анатомические данные показывают, что основным новшеством наземных позвоночных (tetrapod) придатков является аутопод: дистальный – или самый дальний от тела – часть конечности, где развиваются цифры.
Рыба явно не хватает пальцев рук и ног, но у них также отсутствует подпись экспрессии – репертуар выраженных генов, необходимых для идентификации клеточной структуры – автопода.
Поэтому обнаружение генетически измененной рыбы с характеристиками развития автоподов объясняет, как произошел переход от плавника к конечному.
Так называемые гены 5’Hoxd – гены, которые могут приводить к превращению конечности и другой частичной части тела при неправильном выражении, – казалось, были идеальными кандидатами для исследования. Тем более, что сообщалось, что эти гены участвуют в развитии автоподов.
В частности, hoxd13 был идентифицирован как ключевой игрок в разработке autopod. Зачем? Поскольку мутации hoxd13 у людей, как известно, приводят к синдактили (слияние нескольких цифр, таких как пальцы) и полидактилия (формирование дополнительных цифр).
Поэтому Фрейтас и соавторы предположили, что модификация экспрессии hoxd13a у рыб может привести к конечному типу плавника.
Тестирование вод
Чтобы подтвердить свою гипотезу, авторы индуцировали экспрессию hoxd13a во время образования позднего пласта у рыбок данио. Они обнаружили, что это одноразовое выражение было достаточным для дистального расширения территории эндоскелета. Другими словами, внешняя область плавника начала проявлять признаки становления конечности.
Это было подтверждено экспрессией гена хряща и экспрессии генитального хряща (sox9 и col2a1a) в складчатой складке (самая дистальная часть плавника), где хрящ обычно не наблюдается.
Этот исходный результат был многообещающим, так как преобразование ребра в хрящ было бы первым шагом, ведущим к формированию аутопода. Но может ли чрезмерное экспрессия hoxd13a индуцировать ткань фина с автопиральной сигнатурой?
Исследователи обнаружили, что чрезмерное экспрессия hoxd13a индуцирует домен экспрессии генов маркеров дистальной конечности (таких как ashoxd13b, cyp26b1 или pea3) в область усеченного плавника, где они обычно исключаются. Другими словами, чрезмерная экспрессия hoxd13a в плавнике привела к определенной сигнатуре гена в дистальной части плавника, которая специфична для автопода наземных позвоночных.
Более того, исследователи обнаружили, что ген, специфичный для краев, такой как fgf8a, имеет резко выраженное выражение, что означает, что сам фин-склад был значительно уменьшен.
Примитивная конечность
В целом, экспрессия хряща и измененная экспрессия экспрессии гена дистального отдела конечностей, наблюдаемая при избыточной экспрессии hoxd13a, согласуются с превращением дистальной большей части плавника (сгиб плавника) в дистальную конечно-подобную структуру.
Повышенная клеточная пролиферация – еще одна особенность развития дистальных конечностей. В соответствии с предыдущим наблюдением чрезмерная экспрессия hoxd13a в плавнике приводила к увеличению пролиферации клеток в самой дистальной части плавника. Эта самая дистальная часть больше не считается финишной складкой, но теперь является автоподобной структурой.
Эти данные означают, что модуляция экспрессии одного гена – в нашем случае hoxd13a – в плавнике приводит к уменьшению реберной складчатости (не присутствующей в конечности), развитию дистального хряща (существенному для образования цифр) и специфическим генам выражение, обнаруженное в автоподе в тетраподах, но не в рыбных плавниках.
Последний шаг в этом исследовании состоял в том, чтобы подтвердить, что экспрессия hoxd13 является ключевой особенностью формирования автопода. То есть, авторам необходимы доказательства того, что hoxd13 регулируется по-разному между рыбой и четвероногими.
Hoxd13 дифференциально регулируется в плавнике рыбок данио и в конечности мыши. Но с использованием регуляторной последовательности мышиного hoxd13, слитой с сообщаемым геном – зеленым флуоресцентным белком (GFP) – авторы продемонстрировали, что регуляторная последовательность млекопитающих для hoxd13 распознается рыбой данио.
Авторы наблюдали сильную экспрессию GFP в мезенхиме плавника (тип соединительной ткани). По мере того, как ребра созревали, экспрессия GFP расширялась дистально.
В публикации, опубликованной Фрейтасом, подтверждается гипотеза о том, что модуляция генов hox – например, hoxd13d – экспрессия во время развития позднего пламени позволяет эволюцию плавников в клеточный материал, необходимый для формирования цифры.
Таким образом, в этой статье мы можем многое рассказать нам об эволюционных процессах, которые привели к переходу от морских и наземных организмов и образованию образования конечностей у наземных позвоночных.