Эмбриональные клетки, формирующие лучи плавников и пальцы на лапах, подчиняются одним и тем же генам и ведут себя в ходе индивидуального развития похожим образом.

Известно, что наземные позвоночные – амфибии, рептилии, птицы и звери – произошли от рыбообразных предков, которые жили в воде, но уже делали первые попытки выйти на сушу. Чтобы передвигаться по суше, им нужно было особым образом преобразовать плавники, превратив их в конечности. Но как это произошло?

Клетки, отвечающие за формирование пальцев и плавниковых лучей, окрашенных молекулярными маркерами. (Фото Shubin laboratory / University of Chicago Medical Center.)

Латимерия. (Фото Duskullkidrr96 / www.flickr.com/photos/43157353@N05/3984574631.)

С одной стороны, мало кто сомневается, что предшественником звериной, а также рептильной, амфибийной и птичьей лапы был плавник, и сходство видно, что называется невооружённым глазом – достаточно посмотреть на древних лопастепёрых рыб, которые как раз и начали осваивать сушу.

На нижней стороне тела у них, помимо парных грудных и непарного анального плавника, есть ещё пара брюшных, которых нет у большинства современных рыб; лучи плавников сидят на выступающей из туловища костно-мышечной лопасти, которую можно сравнить с лапой, а лучи на ней – с пальцами. (Напомним, что до наших дней дошли несколько видов лопастепёрых – это латимерии и двоякодышащие рыбы.) Но, с другой стороны, до сих пор биологи полагали, что как раз пальцы зверей (и вообще наземных позвоночных) и лучи плавников друг с другом исторически никак не связаны, потому что одни в ходе индивидуального развития образуются на месте хряща, а другие – из соединительной ткани.

Однако эксперименты сотрудников лаборатории Нила Шубина (Neil Shubin) в Медицинском центре Чикагского университета указывают на то, что у пальцев на лапах и у плавниковых лучей общего намного больше, чем считали ранее. Пытаясь понять, как происходит формирование плавников, исследователи методами генетической инженерии последовательно отключали у Danio rerio (обычной «рыбьей» жертвы в молекулярно-клеточных опытах) различные гены, отвечающие за формирование конечностей, а потом скрещивали получившихся мутантов друг с другом, чтобы получить эмбрионы, у которых не работало бы сразу несколько генов. Одновременно удалось усовершенствовать технику, которая позволяла следить за конкретными клетками в ходе эмбрионального развития – где они появляются, куда потом ползут и т. д.

Авторов работы интересовало, как будут вести себя клетки зародыша рыбы при отключении так называемых гомеозисных, или Hox-генов. Они в буквальном смысле определяют план будущего тела: где быть рукам, где – ногам, где будет голова, и т. д. (Подробно про Hox-гены можно прочесть в нашем материале.)

Известно, что у мышей при отключении HoxD и HoxA на лапах не развивались пальцы и запястья. И, как говорится в статье в Nature, у рыб происходило примерно то же самое: если HoxD и HoxA не работали, лучи плавников вырастали очень короткими либо вообще не формировались.

В то же время компьютерная томография показала, что, хотя число плавниковых лучей у мутантов уменьшалось, одновременно у них появлялось много маленьких косточек. То есть зародышевые клетки оставались неорганизованными и оказывались не способны добраться до нужного места, чтобы вместе со всеми сделать луч – вместо того они оседали в других местах, пытаясь создать тут собственную кость, но у них ничего не выходило.

Новые результаты означают, что звериные пальцы и лучи рыбьих плавников похожи в том, как они появляются в ходе эмбрионального развития: клетки, из которых они формируются, ведут себя в обоих случаях сходным образом и подчиняются одинаковым генам. И это помогает нам ещё точнее представить один из важнейших и загадочнейших этапов эволюции: выход позвоночных на сушу.