Как мы потеряли хвосты

Хвост у предков человека исчез очень быстро

Александр Соколов, XX2 век

Поговорим о потерях, которые наши предки понесли в тяжёлых эволюционных боях. Одна из таких невосполнимых утрат – хвост. Многие приматы могут похвастаться шикарным хвостом. У паукообразных обезьян из Нового Света хвост – это фактически пятая конечность, он и за ветку прекрасно цепляется, и даже удерживать предметы позволяет. Человекообразные обезьяны тут стыдливо потупились – похвастаться, прямо скажем, нечем. Вероятно, около 25 млн лет назад у общего предка современных гоминоидов хвост пропал, оставив после себя только жалкий копчик из 3–4 сросшихся позвонков. До этого полмиллиарда лет хордовые разгуливали с хвостами, и вот – бац! – его нет. Мы можем лишь гадать, почему это случилось. Стал ли хвост не нужен, когда обезьяны увеличились в размерах? Оказался ли помехой при переходе к наземному образу жизни? (Смотрим на гиббона и сомневаемся…) Недавние исследования генетиков позволили пролить кое-какой свет на генетику хвоста, чему помогло изучение бесхвостых мышей-мутантов. Учёные получили список из 31 гена, играющих роль в формировании хвостов у млекопитающих. Тем не менее, оставалось неясным, какие именно генетические изменения привели к исчезновению столь заметной части тела у человекообразных.

Чтобы прояснить картину, авторы нового исследования сравнили 31 «хвостатый» ген человека и других приматов. Помимо людей, анализировались гены-ортологи (то есть гены общего происхождения со сходными функциями) пяти человекообразных обезьян – людей, шимпанзе, бонобо, горилл, орангутанов, гиббонов – и пятнадцати их хвостатых родственников.

Кстати, Карл Циммер в статье об этом исследовании для New York Times пишет, что исследователи сравнивали ДНК шести бесхвостых обезьян и девяти хвостатых. А оригинальную статью открыть? А посчитать? Великому научному журналисту недосуг?

Сначала сравнивали кодирующие последовательности – то есть ту часть ДНК, которая отвечает за аминокислотный состав белков – но ничего подозрительного не нашли. Тогда исследователи взялись за поиск специфических отличий человекообразных в некодирующих участках ДНК. И тут их ждала удача: они обнаружили кусок генетической последовательности около 300 нуклеотидов в шестом интроне гена TBXT, присутствующий у только человекообразных.

Интрон – это участок ДНК, который вырезается при транскрипции гена, т. е. не участвует в кодировании белка.

Найденная последовательность относилась к Alu-повторам – классу повторяющихся коротких последовательностей ДНК, которые очень распространены в геномах приматов. У человека около 1 миллиона копий Alu-повтора, что составляет почти 10% всего генома. Так вот именно такой Alu-повтор встроился когда-то в ген TBXT общего предка человекообразных. Более того, вставка принадлежит к подсемейству AluY, начало активности которого, как полагают генетики, как раз примерно совпадает с временем, когда наши предки лишились хвоста.

Сам ген TBXT очень интересный, его открыла почти 100 лет назад русский генетик Надежда Добровольская-Завадская. Она исследовала наследственные изменения у мышей под действием ионизирующей радиации и в 1923 году получила мышей-мутантов – обладателей изогнутых или укороченных хвостов. Добровольская-Завадская предположила, что патология связана с потерей функции некого гена, управляющего развитием хвоста, который назвала «ген Т» (tail – хвост) или Brachyury (короткий хвост). Это и был TBXT. Ген кодирует белок, важный для развития хорды у эмбриона. Впоследствии было показано, что мутации в кодирующей части генов-ортологов TBXT приводят к потере или укорочению хвоста не только у мышей, но и у кошек, собак, рыбки данио-рерио, при этом гомозиготные по таким мутациям особи обычно нежизнеспособны. Кстати, именно из-за такой генетической особенности обладают коротенькими хвостиками кошки породы мэнкс.

Сам ген очень консервативен у млекопитающих, и такое его изменение – явно неспроста. Но каким образом вставка внутри интрона, в некодирующей части, влияет на работу гена? Исследователи обратили внимание, что в пятом интроне гена есть ещё один Alu-повтор – Alu Sx1, который встречается у всех обезьян и, что важно, расположен «задом наперёд» относительно нашего AluY, то есть в обратной последовательности. А это значит, что в молекуле РНК, образующейся при транскрипции гена TBXT, Alu Sx1 и AluY могут «слипнуться», образовав петлю. Проще всего понять, как это происходит, посмотрев на картинку. Внутри петли оказывается шестой экзон, то есть кусок кодирующей части гена TBXT. Таким образом, шестой экзон «выпадает», он не участвует в формировании белка. Получается альтернативный вариант работы гена, который исследователи обозначили TBXT-Δexon6.

Исследователи убедились, что именно такой вариант есть у человека и отсутствует у мышей.

Затем на человеческих эмбриональных стволовых клетках экспериментаторы показали, что, если из гена TBXT удалить элемент AluY либо его «собрата» Alu Sx1, вариант белка TBXT-Δexon6 не образуется.

Так может, именно белок TBXT-Δexon6 связан с нарушением развития хвоста?

Чтобы проверить эту гипотезу, исследователи методами генной инженерии получили мышей, у которых из одной из копий гена TBXT вырезали шестой экзон. У 21 из 63 таких мышат хвост развивался ненормально: он был либо укорочен, либо искривлён, а у 4-х особей отсутствовал вовсе. Надо, конечно, подчеркнуть, что не все мышиные хвостики пострадали. Тем не менее, исследователи убедились, что присутствия варианта TBXT-Δexon6 достаточно, чтобы потерять хвост.

А еще эксперимент показал, что гомозиготные обладатели мутации нежизнеспособны: эмбрионы либо формировались с задержкой, либо у них развивались патологии спинного мозга, несовместимые с жизнью.

Это, конечно, не является неопровержимым доказательством, что именно так у наших предков исчез хвост, но подобный сценарий очень вероятен. Эврика! Ведь это значит, что древние человекообразные лишились хвоста очень быстро, для этого не потребовалось тысяч поколений. Какая-то обезьяна – «счастливый» носитель AluY-повтора в гене TBXT – 25 млн лет назад родилась короткохвостой, и эта особенность почему-то оказалась столь полезной, что распространилась среди всех её потомков.

Удивительно, что одной мутации, причём в некодирующей части генома, оказалось достаточно для столь сильного изменения. Напомню, что в нашем геноме 1 млн Alu-повторов, причём более 60% из них сидит в интронах.

Конечно, на примере мышей мы видим, что одна и та же мутация проявляется в строении разных индивидов по-разному. Возможно, так же было у наших предков: какое-то время в популяции древних гоминоидов встречались и короткохвостики, и кривохвостики, и для закрепления полной «бесхвостости» потребовались изменения в десятках других генов, влияющих на тот же признак. А ещё обратите внимание на патологии нервной трубки у мышат-гомозигот. Преимущество, даваемое нашим предкам отсутствием хвоста, должно быть очень-очень сильным, чтобы перевешивать риск получить что-нибудь вроде расщепления позвоночника. У людей развитие таких патологий действительно может быть связано с мутациями в TBXT.

«Таким образом, мы предполагаем, что эволюционный компромисс, связанный с потерей хвоста около 25 миллионов лет назад, продолжает влиять на здоровье сегодня», – заключают авторы статьи.

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru