Путь к пятипалости

Когда позвоночные стали выбираться на сушу, их плавники превратились в лапы, а лучи плавников — в пальцы. У первых тетрапод (наземных позвоночных с четырьмя конечностями) пальцев было много, но затем их стало пять, и с тех пор пятипалость свойственна всем наземным позвоночным.

Причина этого феномена до недавнего времени оставалась загадкой, которую, возможно, разгадали специалисты Монреальского института клинических исследований, Монреальского университета и Университета Макгилла (Канада) под руководством д-ра Мари Кмита (Marie Kmita). По мнению ученых, пятипалость возникла в результате изменения регуляции гена Hoxa11 в эмбриональных зачатках конечностей [1].

Гены Нох — факторы транскрипции, регулирующие эмбриональное развитие животных. Этих генов несколько десятков, они сгруппированы в четыре комплекса: НохА, НохВ, НохС и НохD. В образовании плавников и лап участвуют кластеры НохА и НохD, в том числе гены Ноха11, Ноха13 и Нохd13.

Однако между рыбами и тетраподами есть два существенных различия. У наземных позвоночных Нох13 в почках конечностей экспрессируется гораздо активнее, чем в зачатках плавников. Кроме того, у тетрапод (лягушек, мышей и птиц) гены Нох11 работают в проксимальной части почки конечностей (ближе к телу), а Нох13 — в дистальной, там, где должны сформироваться пальцы [2]. Их зоны экспрессии практически не перекрываются. Между тем у разных рыб, имеющих парные плавники (акулы, веслоноса, данио), такой разобщенности нет (рис. 1).

Существуют две гипотезы, объясняющие, почему Ноха11 в дистальной части конечности тетрапод не работает. Согласно одной из них, активность гена подавляют белки Ноха13/ Нохd13, которых в этой области очень много (рис. 2). Согласно второй, экспрессии Ноха11 препятствует антисмысловая РНК, которая связывается с последовательностью гена.

Канадские ученые предположили, что именно взаимоисключающая экспрессия Ноха11и Ноха13 в зачатках конечностей тетрапод привела к формированию пятипалости. Доказывали они это с помощью многочисленных линий трансгенных мышей, и вот какая картина у них в результате получилась.

Ноха11 состоит из двух кодирующих участков (экзонов), разделенных интроном — некодирующей ДНК. В первом экзоне Ноха11 и происходит синтез антисмысловой РНК. Эти молекулы связываются с кодирующей частью гена, фактически блокируя его считывание и синтез белка (рис. 3). Антисмысловые РНК Ноха11 обнаружены только в дистальной части почки, область их присутствия совпадает с областью «молчания» гена.

Транскрипцию антисмысловой РНК инициируют белки Ноха13/Нохd13, которые активно синтезируются в дистальной области будущей конечности. Они взаимодействуют с особой областью — энхансером, который находится в интроне Ноха11. Энхансер, в свою очередь, запускает синтез антисмысловой РНК.

Таким образом, канадские исследователи объединили обе гипотезы: белок Нох13 регулирует синтез антисмысловой молекулы и экспрессию гена Ноха11. У мышей, мутантных по Нох13, антисмысловые РНК не образуются, и ген Ноха11 работает в зоне образования пальцев. Такая же картина наблюдается, когда гены Нох13 в порядке, а Ноха11 лишен энхансера. В обоих случаях у мутантных мышей развивается полидактилия, и на лапе образуется до семи пальцев (рис. 4).

У рыб нет ни антисмысловой РНК Ноха11, ни энхансеров. Такой способ регуляции активности Ноха11 появился у первых тетрапод, а у современных энхансерная последовательность очень консервативна. Возникновение энхансера привело к взаимоисключающей экспрессии Ноха11 и Ноха13 и формированию пятипалости.

Наталья Резник

1. Kherdjemil Y., Lalonde R. L., Sheth R., Dumouchel A., de Martino G., Pineault K. M., Wellik D. M., Stadler H. S., Akimenko M. A., Kmita M. Evolution of Hoxa11 regulation in vertebrates is linked to the pentadactyl state // Nature. 2016. 539. 89–92. doi: 10.1038/nature19813

2. Leite-Castro J., Beviano V., Rodrigues P. N., Freitas R. HoxA Genes and the Fin-to-Limb Transition in Vertebrates // J. Dev. Biol. 2016, 4, 10; doi:10.3390/jdb4010010