Змеи потеряли ноги из-за выключения гена Sonic hedgehog

Рис. 1. Рептилии, имеющие задние конечности с разной степенью редукции. А — пахирахис (Pachyrhachis), представитель древних змей с относительно хорошо развитыми задними конечностями (предположительно представляет стволовую группу по отношению к современным змеям, ископаемые датируются возрастом около 100 млн лет), рисунок с сайта dinopedia.wikia.com. Б — Scelotes kasneri, представитель роющих сцинков (это ящерица, поэтому вид не входит в подотряд змей), фото с сайта biodiversityfocused.co.za. В — скелет питона, на котором видны кости его задних конечностей, фото с сайта birds-to-dinosaur.blogspot.ru. Г — внешний вид рудиментарных конечностей питона, фото с сайта etb-whales.blogspot.ru

Сразу два коллектива авторов из США опубликовали исследования, посвященные интригующему вопросу: почему змеи потеряли ноги? Оказалось, что эволюция змей сопровождалась существенными изменениями в высококонсервативном регуляторном участке, отвечающем за включение экспрессии гена SHH (Sonic hedgehog). В результате замен и делеций внутри энхансера оказались «испорчены» или утрачены сайты связывания транскрипционных факторов, и ген SHH перестал включаться в тех зонах эмбриона, где у всех остальных позвоночных, от хрящевых рыб до млекопитающих, формируются почки конечностей. Сам ген и другие его регуляторные области остались при этом консервативными, как и следовало ожидать, исходя из многофункциональности гена SHH. Эксперименты по редактированию генома мыши с использованием CRISPR/Cas позволили получить убедительные свидетельства в пользу рассматриваемой гипотезы.

Парные конечности имеются у большинства позвоночных, включая хрящевых и костных рыб, амфибий, рептилий, птиц и млекопитающих. Как это ни странно, в ходе эволюции неоднократно происходили утраты конечностей, причем в классе рептилий это преобразование дало начало весьма успешной и широко дивергировавшей группе змей. Что еще более странно, в эволюционном прошлом этого подотряда, по-видимому, случался и возврат утраченных предками конечностей. Как же получилось, что змеи утратили конечности? Какие генетические изменения стоят за такими серьезными изменениями анатомии?

Такие вопросы относятся к эволюционной биологии развития (на научном жаргоне вместо этого длинного названия обычно используют короткое evo-devo — сокращение от Evolutionary developmental biology). Есть даже книга, написанная специалистом в этой области, профессором Техасского университета Льюисом Хелдом (Lewis Irving Held), которая так и называется «Как змеи потеряли ноги. Удивительные сказки с переднего фронта evo-devo» (“How the Snake Lost its Legs. Curious Tales from the Frontier of Evo-Devo”). И всё же нераскрытых тайн еще много — их хватит не на одно поколение исследователей.

Последний общий предок змей, который уже обладал всеми характерными признаками анатомии этих животных, включая утраченные конечности, жил, судя по известным ископаемым, в меловом периоде, около 110–120 млн лет назад. Группа, как показало время, оказалась весьма перспективной — сейчас подотряд включает 23 семейства и около 3400 видов. Примечательно, что утрата конечностей у разных представителей подотряда змей имеет разную степень выраженности. Более «примитивные» из них, такие как удав и питон, сохранили рудименты тазового пояса и задних конечностей (рис. 1), которыми самцы, между прочим, всё же пользуются как вспомогательными органами для удержания самок при совокуплении. У более «продвинутых» змей конечности исчезли бесследно. Среди палеонтологических образцов второй половины юрского и мелового периода известны животные, похожие на змей в строении осевого скелета и черепа, которые вместе с тем имеют достаточно хорошо выраженные и функциональные задние конечности (M. W. Caldwell et al., 2015. The oldest known snakes from the Middle Jurassic-Lower Cretaceous provide insights on snake evolution). Таким образом, утрата конечностей, по-видимому, происходила постепенно.

Собственно, проблема эволюционной истории утраты конечностей занимает ученых уже давно, и эти исследования далеко не первые (см., например, Эволюция ящериц и змей сопровождалась изменениями Hox-генов, «Элементы», 15.03.2010). Формирование конечностей позвоночных зависит от многих консервативных генов, среди которых — ген SHH (Sonic Hedgehog). Продуктом этого гена является белок, работающий в качестве морфогена. Этот ген участвует в формировании конечностей также и у первичноротых животных, в частности у членистоногих (при том что устроены их конечности совсем не так, как у позвоночных). Вместе с тем, этот же белок контролирует развитие и других частей эмбриона, в частности зубов и головного мозга позвоночных. Включение этого гена в разных частях развивающегося эмбриона обеспечивается разными регуляторными элементами — энхансерами. Для его включения в зачатках конечностей служит энхансер ZRS, расположенный примерно на расстоянии 1 млн пар оснований от самого гена. Он был обнаружен в 2003 году при изучении случаев полидактилии у людей (L. A. Lettice et al., 2003. A long-range Shh enhancer regulates expression in the developing limb and fin and is associated with preaxial polydactyly).

Два коллектива ученых выдвинули и попытались проверить гипотезу о том, что эволюционные изменения в этом регуляторном элементе и предопределили потерю конечностей у змей. Статьи с результатами их исследований вышли почти одновременно в свежих номерах журналов Cell и Current Biology.

Авторы статьи в Current Biology изучили уровень экспрессии гена SHH в почках конечностей на ранних стадиях развития эмбрионов питона и анолиса (ящерицы с нормальными пятипалыми конечностями). Оказалось, что у питона ген сначала работал, но затем его экспрессия быстро падала до нуля, а вот у анолиса она всё время оставалась высокой (рис. 2).

Рис. 2. A — часть скелета питона, показана часть позвоночника (Vertebral column) и редуцированные кости задней конечности (Pelvic girdle — таз, Femur — бедренная кость, Claw — коготь). B — скелет задней конечности анолиса. C — динамика изменения экспрессии SHH (фиолетовые пятна) в почке конечности эмбриона питона. D — динамика изменения экспрессии SHH в почке конечности эмбриона анолиса. Рисунок из обсуждаемой статьи в Current Biology

Авторы статьи в Cell проверили, как будет работать энхансер ZRS в почках конечностей эмбриона генно-модифицированной мыши, если под его управление поместить маркерный ген (ген LacZ, продукт которого легко выявляется по характерному окрашиванию; см. Лактозный оперон). При помощи новой технологии CRISPR/Cas ученые заменяли энхансерный элемент ZRS в геноме мыши на гомологичные участки из геномов других позвоночных. Использовались варианты ZRS от 2 видов рыб (акула, латимерия), 8 видов млекопитающих (утконос, ленивец, летучая мышь, лошадь, корова, дельфин, человек, мышь), курицы, ящерицы и 4 видов змей (удав, питон, кобра, гремучая змея). Высокая и устойчивая экспрессия маркерного гена наблюдалась во всех случаях, за исключением тех, когда ген управлялся энхансером змей (рис. 3). В этом случае экспрессии или не было совсем (энхансер кобры и питона), или она была сниженной (удав). Правда, при использовании энхансера гремучей змеи экспрессия была аномально высокой, но ее паттерн отличался от нормального, распространяясь на всю почку конечности, а не ограничиваясь ее задним краем, как должно быть в норме.

Рис. 3. Результаты экспериментов по замене энхансерного участка ZRS в геноме мыши на гомологичные участки геномов других позвоночных. Видно, что в случаях, когда гомолог брался у змей, а также тогда, когда его просто вырезали из генома (нижняя строка), конечности у мышей толком не развивались. Рисунок из обсуждаемой статьи в Cell

Наконец, сравнив последовательности энхансеров разных видов животных с конечностями и без, авторы нашли специфический участок длиной 17 пар оснований, который делетирован у всех змей. Оказалось, что если встроить в геном мыши энхансер питона со встроенным данным участком, то формирование конечностей снова становится совершенно нормальным (рис. 4). Выяснилось, что как раз на этот участок приходится сайт посадки транскрипционного фактора ETS1, который и обеспечивает включение гена SHH в зачатках конечности.

Рис. 4. А — в геномах змей в энхансерном участке ZRS обнаружилась делеция длиной в 17 пар оснований. B, C, D — если восстановить этот пропущенный участок в пересаженном мыши энхансере питона, то конечности развиваются нормально. Рисунок из обсуждаемой статьи в Cell

Филогенетический анализ показывает высокую консервативность и медленную эволюцию последовательности энхансера ZRS в ветвях позвоночных с конечностями и одновременно гораздо более быстрое накопление замен в этом участке среди продвинутых змей, полностью утративших конечности. Это, вероятно, объясняется тем, что после освобождения от своей функции данный локус перестал испытывать действие очищающего отбора (рис. 5).

Рис. 5. Филогенетическое дерево, отображающее различия в скорости эволюции энхансерного элемента ZRS в разных группах позвоночных. Рисунок из обсуждаемой статьи в Cell

Результаты работы впечатляют, но тем не менее утрата конечностей, по-видимому, зависит и от изменений еще каких-то локусов, ведь мышь с замененным энхансером всё же сохраняла скелет таза и конечностей, пусть и в существенно редуцированном виде.

Источники:
1) F. Leal, M. J. Cohn. Loss and Re-emergence of Legs in Snakes by Modular Evolution of Sonic hedgehog and HOXD Enhancers // Current Biology. 2016. DOI: 10.1016/j.cub.2016.09.020.
2) E. Z. Kvon et al. Progressive Loss of Function in a Limb Enhancer during Snake Evolution // Cell. 2016. DOI: 10.1016/j.cell.2016.09.028.

См. также:
1) Новооткрытые рыбьи гены помогли понять, почему первые четвероногие были многопалыми, «Элементы», 09.07.2010.
2) Темп редукции пальцев у архозавров зависит от генов, регулирующих эмбриональное развитие, «Элементы», 17.10.2013.
3) Эволюция ящериц и змей сопровождалась изменениями Hox-генов, «Элементы», 15.03.2010.
4) Утрата конечностей почти необратима, «Элементы», 10.12.2008.
5) Змеи отказались от конечностей, чтобы приспособиться к роющему образу жизни, «Элементы», 30.11.2015.

Татьяна Романовская