«Это один из многих компонентов инструкций ДНК, необходимых для создания конечностей у людей и, по сути, у всех других позвоночных. У змей он сломан», — говорит Аксель Визель, генетик из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли и старший автор исследования бумага. «Вероятно, это один из нескольких этапов эволюции змей, которые, в отличие от большинства млекопитающих и рептилий, больше не могут образовывать конечности».
Сегодняшние змеи претерпели одно из самых драматических изменений строения тела в эволюции позвоночных. Чтобы изучить молекулярные корни этой адаптации, Визел и его коллеги начали изучать опубликованные геномы змей, в том числе геномы базальных змей, таких как удав и питон, у которых есть рудиментарные ноги — крошечные кости ног, погруженные в их мышцы — и продвинутых змей. , такие как гадюка и кобра, которые потеряли все структуры конечностей.
В этих геномах они сосредоточились на гене под названием Sonic hedgehog, или Shh, который участвует во многих процессах развития, включая формирование конечностей. Исследователи углубились в один из регуляторов гена Shh, участок ДНК, называемый ZRS (зона регулирующей последовательности поляризационной активности), который присутствовал, но разошелся у змей.Чтобы определить последствия этих мутаций, исследователи использовали CRISPR, метод редактирования генома, чтобы вставить ZRS от различных других позвоночных в мышей, заменив регулятор мыши.
С ZRS других млекопитающих, таких как люди, у мышей развились нормальные конечности. Даже когда они вводили ZRS от рыб, чьи плавники структурно сильно отличаются от конечностей, у мышей развивались нормальные конечности. Однако, когда исследователи заменили мышь ZRS версией питона или кобры, у мышей развились сильно усеченные передние и задние конечности.«Используя эти новые геномные инструменты, мы можем начать исследовать, как разные эволюционные версии одного и того же энхансера влияют на развитие конечностей, и на самом деле увидеть, что происходит», — говорит Визель. «Раньше мы в основном смотрели на последовательности и размышляли о молекулярной эволюции, но теперь мы действительно можем вывести эти исследования на новый уровень».
Чтобы определить мутации в ZRS змей, которые были ответственны за его инактивацию во время эволюции змей, исследователи внимательно изучили эволюционную историю изменений отдельных последовательностей. Сравнивая геномы змей и других позвоночных, они идентифицировали одну особенно подозрительную делецию из 17 пар оснований, которая встречалась только у змей; эта делеция удалила участок ZRS, который играет ключевую роль в регуляции гена Shh у животных на ногах.Исследовательская группа повернула вспять эволюционные часы, восстановив недостающие 17 пар оснований в искусственно созданной гибридной версии Python ZRS, и проверила отредактированную ДНК на мышах.
Те, кто несли этот эволюционно «воскресший» ZRS в своем геноме, заменив их нормальный регулятор, развили нормальные ноги. Однако Визель предупреждает, что эволюционные события, вероятно, были более сложными, чем просто одна делеция: «Вероятно, есть некоторая избыточность, встроенная в ZRS мыши. Несколько других мутаций в ZRS змеи, вероятно, также сыграли роль в потере ее функции. во время эволюции ".
Конечно, змеи — не единственные позвоночные животные, у которых отсутствуют руки и ноги — некоторые ящерицы, угри и другие рыбы, а также морские млекопитающие, например, также адаптировали сокращение конечностей в разной степени и, вероятно, претерпели несколько иной эволюционный процесс. «Потеря конечностей происходила несколько раз независимо во время эволюции животных, и можно с уверенностью предположить, что были вовлечены мутации, затрагивающие другие гены», — говорит Визель. «Это сложная проблема, но с появлением инструментов редактирования генома мы, наконец, можем начать более систематически связывать конкретные изменения ДНК с изменениями формы тела».