Змеи утратили конечности в результате мутации генома
Иногда крошечное изменение в генетическом коде может разительно повлиять на внешний вид животного. Вероятно, это и произошло с предками современных змей, потерявшими свои ноги около 150 миллионов лет назад. За изучение этого феномена взялись еще в 2016 году две команды ученых с разными подходами к исследованию, которые, в итоге, привели к одному и тому же выводу: мутации в ДНК, расположенные вблизи ключевых генов, ответственных за формирование конечностей, «выключают» эти гены навсегда.
Проведенные исследования впечатлили ученое сообщество. По словам Майкла Ричардсона, биолога из Лейденского университета, в обоих случаях существовала «корреляция между молекулярным строением с одной стороны и эволюционной тенденцией деградации (вплоть до полной потери) конечностей с другой». Результаты показали, что незначительные изменения в геноме могут привести к очень большим специфическим метаморфозам всего организма. Хоть змеи и являются рептилиями, почти все они полностью потеряли конечности, характерные для наземных позвоночных. Они не всегда были такими: у предков змей около 100 миллионов лет назад были конечности. Даже сейчас у питонов и удавов внутри скелета наблюдаются крошечные рудиментарные кости ног, которые, как предполагают ученые, являются еще одним доказательством существования в геноме молекулярных путей для потенциального отращивания конечностей.
В 1999 году эволюционный биолог Мартин Кон обнаружил, что характер деятельности определенных генов у змеиных эмбрионов имел несколько другой характер, чем у других рептилий, и что применение фактора роста привело к тому, что эмбрионы начинали отращивать конечности. Однако ему не хватило мощности оборудования, чтобы провести более глубокие исследования. 4 года спустя Ханкен и коллеги обнаружили, что активность в одном из генов (названном в честь легендарного персонажа видеоигр Sonic The Hedgehog) играет важную роль в размерах конечностей у ящериц, что привело их к мысли, что и для змей это может иметь значение.
Теперь же, когда появилось больше возможностей контролировать активность генов в процессе эмбрионального развития и секвенировать геномы различных рептилий для сравнения, ученым удалось проследить генетическую активность внутри эмбрионов питонов, чтобы понять, почему их организм начинает отращивать ноги, но никогда не завершает процесс. Они обнаружили три делеции ДНК в генетическом «переключателе», который контролирует ген Соника. Расположенный в передней части гена, этот переключатель (т.н. энхансер) является регулятором для белков, контролирующих активность гена. Делеции затрудняли работу белкового аппарата, а потому, едва начавшись, процесс тут же прекращался. У змей, не имеющих даже рудиментарных конечностей, делеций было еще больше, а это приводило к тому, что ген Соника не включался вовсе.
Так выглядели древние предки змей, обладающие конечностями
Другая команда, под руководством Акселя Визеля из Национальной лаборатории Лоренса в Беркли, Калифорния, тоже использовала для анализа питона и удава, разыскивая причину утраты конечностей. Ученые сравнили их геномы с геномами гадюк и кобр, которые не имеют рудиментарных ног, ответив влияние на это гена Соника. Проверяя свою гипотезу на мышах, они заменили собственный энахнсер мыши на энхансер змеи, использовав методику генетического редактирования CRISPR-cas9. Для закрепления аналогичные операции проделали с участием энхансеров рыбы и человека. Если в случае с двумя последними конечности развивались нормально, то змеиные энхансеры привели к тому, что вместо лапы у мыши образовалось всего лишь несколько бугорков. Наконец, исследователи вставили недостающие фрагменты ДНК в энхансер и повторили процесс — и на этот раз конечность сформировалась полноценной.
Помимо этих исследований, многие ученые отмечают, что это далеко не все предпосылки, приведшие к утрате конечностей у змей. К примеру, другая группа ученых обнаружила, что еще один энахнсер у змей отвечал за дополнительную пару ребер и длинных нейронных сетей. Палеонтологи тщетно пытаются ужать ископаемых змей, некоторые из которых обладали конечностями, а некоторые — нет, до единого генеалогического древа. Генетики, впрочем, склонны считать, что если мутации привели к кратковременному (по эволюционным меркам) исчезновению конечностей, то и развить их обратно было не так сложно. Это объясняет, к примеру, почему у некоторых тупиковых ветвей ископаемых змей имеются ярко выраженные конечности, в то время как у их предков они отсутствуют. На протяжении веков эволюционные биологи утверждали, что организмы не могут повторно развивать однажды утраченные функции, но Ханкен уверен, что эта теория год от года становится все более надуманной, и что потенциал эволюционного механизма куда более мощный и гибкий, чем мы думали.