Одной из ярких черт позвоночных является то, что зрение играет важную роль почти у всех основных групп животных. Глаз позвоночных имеет уникальную организацию и, как известно, возник во времена первых позвоночных более 500 миллионов лет назад. Новое исследование, проведенное исследовательской группой под руководством Ксесуса Абало и Дэна Лархаммара, объясняет, как дупликации древних генов сыграли решающую роль в эволюции новых функций.
Первый шаг в развитии зрения – это реакция на свет колбочек и палочек сетчатки в задней части глаза.
Двадцать лет назад первые исследования световых рецепторов, белков, называемых опсинами, у птиц показали, что цветовое зрение возникло раньше, чем тусклое черно-белое зрение, обеспечиваемое стержнями. Эта гипотеза была недавно подтверждена подробными исследованиями генов опсинов у широкого круга видов позвоночных (Дэвид Лагман и Даниэль Окампо Даса в команде Abalo & Larhammar, BMC Evol. Биол.
2013). Авторы обнаружили, что новые гены опсина были созданы, когда геном предка позвоночных был дважды удвоен на заре возникновения позвоночных. Эти массовые случаи дупликации генов привели к появлению множества новых функций, не только для зрения, но и многих других характерных особенностей позвоночных.
В новом исследовании Дэвид Лагман и его сотрудники описывают эволюционные изменения на первом этапе реле в каскаде зрения, опосредованные семейством G-белков, называемых трансдуцинами. Они запускают клеточный ответ, активируя критический фермент. Так же, как опсины умножились и развили различные функции в ранней эволюции позвоночных, трансдуцины и их фермент-мишень были дублированы и разделены на отдельные функции.
Новое исследование, опубликованное в PLOS ONE, представляет подробное описание трансдуцинов в сетчатке рыбок данио, широко используемых экспериментальных животных уже более тридцати лет. Этот вид не только сохраняет все пять опсинов предков позвоночных, два из которых были потеряны у млекопитающих, включая человека, но также демонстрирует большее количество трансдуцинов. В то время как у людей три белка трансдуцинов находятся в колбочках и три – в палочках, рыбки данио могут похвастаться пятью трансдуцинами колбочек и четырьмя палочковыми трансдуцинами благодаря третьему удвоению генома, уникальному для группы рыб с лучевыми плавниками, называемых костистыми рыбами.
Авторы исследовали судьбы всех девяти генов трансдуцинов в сетчатке рыбок данио и сообщают, что каждый дубликат поразительным образом отличается от своего шаблона.
Во-первых, рыбки данио демонстрируют те же различия, что и люди, между версиями шишек и стержневыми версиями трансдуцинов. Это показывает, что эти два типа клеток приобрели свои характерные свойства еще до того, как ранний предок позвоночных приблизительно 420 миллионов лет назад дал начало одной линии, ведущей к костистым рыбам, а другой – к млекопитающим.
Во-вторых, специфические для костистости дубликаты предоставляют новые специализации. Для одной такой повторяющейся пары две копии имеют совершенно разные уровни экспрессии.
Что касается второй пары генов трансдуцинов, один присутствует в верхней части сетчатки, а его дубликат находится в нижней части, предположительно в результате очень разной интенсивности света, падающего на две части. Тот, который подвергается сильному свету сверху, может обеспечить защиту от повреждений.
Кроме того, все три пары дубликатов демонстрируют дифференциальную экспрессию в том смысле, что одна из копий также экспрессируется в шишковидной железе, участвующей в эндокринной регуляции цикла день-ночь.
Эти результаты показывают, что дупликация генов и геномов была важным источником нового генетического материала, который впоследствии развил новые и более специализированные функции. Дубликаты генов могут быстро адаптироваться к измененным паттернам экспрессии.
Означает ли это, что рыбки данио видят лучше людей??
Уже давно известно, что рыбки данио способны обнаруживать ультрафиолетовый свет, а сетчатка имеет гораздо более широкое распределение колбочек цветового зрения, чем человеческий глаз, который имеет только узкую группу колбочек в ямке. Новые данные добавляют генную специализацию во времени, пространстве и количестве дублированных генов.
Даже если мы не знаем, как рыбки данио видит мир вокруг себя, дупликации генов явно позволяют эволюционным новшествам возникать из-за измененного использования запасных копий генов, формируя визуальную систему, которая позволяет им успешно населять определенную среду, как и любой другой вид. включая людей.